EPI 공정이란?

에피성장(epitaxial growth)이란?

에피성장은 어떤 결정의 기판 위에 같은 재료나 다른 재료의 결정을 특정 방향으로 성장시키는 것을 의미하며, LED 의 핵심 공정중의 하나입니다. 기판으로 사용된 웨이퍼 위에 유사한 결정 격자 구조 및 방위를 갖는 반도체 결정을 성장시키는 것으로 기판 물질의 녹는점보다 (훨씬) 낮은 온도에서 성장합니다.

LED 공정은 에피공정, Fab공정과 패키지 공정으로 분류할 수 있습니다. 그림은 LED 에서 사용되는 사파이어(Al2O3) 위에 질화갈륨(GaN)을 에피 성장했을 때의 이미지 입니다. GaN계 화합물반도체는 기판 (substrate) 형성이 어렵고 가격 또한 고가임으로 주로 사파이어(Al2O3) 기판을 사용합니다. 사파이어 기판위에 순차적으로 GaN계 화합물 반도체를 연속적으로 쌓아 성장시키게 되는데 각각의 층은 아래 층의 결정성을 이어받아 성장됩니다.

결정 내부에 생기는 결함은 빛을 발생시키는 전자와 정공의 재결합과정(electron-hole recombination process)에서 비발광 센터(nonradiative center)로 작용하기 때문에 LED 소자에서는 각 층을 형성하는 결정들의 결정성이 소자효율에 결정적인 영향을 미치게 됩니다. 따라서, 에피성장 공정은 LED 효율의 주된 특성을 결정짓는 중요한 공정입니다.

[사파이어 C-PLANE]

EPI에 의한 LED색상 결정

LED에서 방출하는 빛의 색깔은 발광층 MQW의 원소 배합에 의해 적절한 에너지 밴드갭을 선택하여 이에 해당하는 파장을 만듭니다. 현재 LED에 주로 사용하는 InGaN 칩에서는 near UV, 청색과 녹색을 만들 수 있고, AlGaInP 칩에서는 Amber부터 적색까지의 색상을 낼 수 있습니다. 일반적으로 백색 LED 의 경우 청색칩에 다양한 형광체를 사용하여 만듭니다. 가시광선 스펙트럼은 각각의 색깔에 해당하는 파장을 모두 포함하고 있고, 보라색에 가까울수록 파장이 짧고, 적색에 가까울수록 파장이 깁니다. 파장이 짧을수록 좀더 많은 에너지를 갖습니다.

에피공정

LED을 만들기 위한 에피공정은 일반적으로 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)를 이용합니다. 주로 메틸이나 에틸 등 알킬기를 갖는 유기 금속 화합물을 원료로 사용합니다. 이를 통해 GaN, P/N-GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlGaInP 등의 2, 3, 4 원계의 여러 화합물 반도체를 성장하게 됩니다.

아래는 GaN 을 형성시키는 반응의 과정을 나타내는 그림입니다.

[GaN을 형성시키는 반응의 과정]