LLO(Laser-lift-off) process, lateral LED과 flip-chip LED의 비교
오늘 소개할 내용은 반도체 공정에서 자주 쓰이는 LLO 공정. Laser-Lift-Off의 약자로, 글자그대로 해석하면 레이저를 이용해 무언가를 뜯어내는 공정. IQE를 올려주기위해 고안된 방법중의 하나다. 먼저 Lateral(Conventional) LED와 Flip-chip LED를 비교해보자.
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왼쪽 그림이 Lateral LED로 기존에 쓰던 LED구조이다. 이는 발생한 열을 방출시키기 어려운 구조라서 이 LED를 뒤집은 형태가 오른쪽 그림의 Flip-chip LED. Sapphire를 통해 위로 열을 방출(Heat dissipation/releasing)시키는 것이 원리다. 열방출 하기에는 좋은 구조. 문제는 photon이 위로 extraction되어야 하는데(EQE) 두꺼운 Sapphire는 photon을 흡수해버린다. 따라서 요 sapphire를 얇게 만들어주어야하는데! Sapphire는 Al₂O₃로 세라믹(Ceramic)이기 때문에 얇게 만드는 이 공정이 상당히 오래걸린다. ⇒ 비효율적!
그래서! 결정한 것이 요 사파이어를 아예 뜯어버리자! ㅋㅋㅋ이런 생각들은 누가한건지 대단한 사람들.. 그럼 오늘 포스팅의 목적. "어떻게 뜯어낼 것인가?"
How to remove Sapphire?
그래서 나온 것이 LLO(Laser-Lift-Off)공정을 통한 Vertical LED. 다시 말해, Vertical LED의 목적은 "To release heat effectively", 열 방출을 효율적으로 하기 위해서다. LED의 구조를 차근차근 살펴보며 하나씩 이해해보자.
① 두 다른 재료사이의 계면에서는 contact resistance가 발생하는데, 이것은 Joul Heat을 발생시킨다. 약 110°C까지 올라간다고 ㄷㄷ (없애야겠지?!)
② Joul Heat이 발생하면 소자의 온도가 올라가고 이는 Eg(band gap)을 줄어들게 한다. 그럼 Blue 파장(wide band gap)을 방출해야 하는 빛이 Red 파장(narrow band gap)을 방출하게 되고, 이를 "Red shift"라 한다.
(교수님이 온도에 따른 밴드갭이 줄어드는 것은 복잡하니까 원리를 묻지 말라고 하셨다. 나중에 찾아봐야지 ㅋㅋ)반대는 Blue shift겠지?:)
[참고: GaN(Blue, Green), AlGaInP(Red)]
③ 따라서, 낮은 온도를 유지하기위해 Heat dissipation을 잘 해야하고, thermal conductivity가 훨씬 높은 SiC를 쓰는 방법이 있다. 그러나 이 SiC는 Al₂O₃(sapphire)에 비해 가격이 3배나 되니! 기업입장에서는 이렇게 비싼 것을 쓰는 것은 오히려 손해. 그래서 위에 설명했듯, 칩을 뒤집어버리는 Flip-chip 공정! 그러나 열 전도도가 낮은 sapphire를 쓴 flip-chip은 photon을 absoprtion할 위험이 있기 때문에 두께를 줄여줘야하는데, 이는 공정시간이 오래걸려서 비용문제가 있다고 했지?
윽 서론이 너무 길었다. 이제 진짜 Sapphire를 어떻게 떼어내는지 살펴보자!
① 먼저, p-electrode를 deposition을 해주고,
② Metal Supporter을 부착해준다. 이 과정을 wafer-bonding이라 부르는데, 이것이 없으면 sapphire를 절대 separation할 수 없기 때문에 굉장히 중요한 공정! 두께는 비교적 두껍게. (정확한 수치는 잘 모르겠음)
③ 그리고, flip-over! 뒤집어준다. 이제 Sapphire를 뜯어낼 준비완료.
④ 자, 이제 highlight! Excimer laser(deep UV laser)를 sapphire에 노출!
⑤ 그러면 band gap이 큰 sapphire는 멀쩡하고, band gap이 작은 GaN Nucleation Layer는 이 UV light을 흡수(absorption)한다.
⑥ 빛을 흡수한 GaN는 Ga과 N₂으로 분해된다. (Decomposition)
⑦ N₂(g)의 증발 ⇒ No Nucleation layer anymore.
⑧ ★ Separation! ★
※ 여기서 중요한 Metal Supporter의 역할.
: 이는 금속이기 때문에 높은 열전도도(thermal conductivity)를 가지고, thermal shock을 흡수. 이게 없으면 위에서 설명했듯, separation 불가능. 왜냐하면 device는 thermal shock으로부터 보호받지 못하면 crack이 발생하기 때문.
결론은 이 모든 것의 목적은 EQE를 maximize 하기 위해! 소자를 다 만들고 나면 놀랍게도 photon이 실제로 escape되는 건 5%밖에 안된다고 한다. 나머지95%는 heat으로 손실된다는 소리. 그래서 micro-LED를 만들어주는 것이 중요한데, 이는 다른 포스팅에서 언급하기로 하고 EQE와 관련된 중요한 식 2가지를 정리하면서 마무리해보자!
IQE ↑
= Growing high crystallinity epitaxial layer.
= maximize the number of photon.
= maximize recombination efficiency.
by decreasing defect(SRH)
(defect의 존재: Non-radiative recombination)
위의 식에 따라 A, B, C를 줄이면 IQE를 100%로 만들 수 있다. 위의 B(SRH parameter)는 defect에 의한 non-radiative ecombination을 의미.
※참고자료
- Flip-chip의 단점
: requires precise alignment⇒ low throughput⇒ $↑
: hybrid integration이후, compound semiconductor growth subs가 남게 되므로, 무조건 transparent 기판을 써주어야해.
: Thermal mismatch btw the compound semicond. subs and Si subs가 built-in stress in hybrid chips를 야기하고, manufacture yield loss와 long-term reliability문제를 야기함.
: 현재의 제조 장비의 신뢰도에 한계가 있음.
- Wafer bonding
출처: Display&Material process (prof. Tae-yeon Seong)
monolithic integration은 시간이 오래 걸리기 때문에 다음과 같이 hybrid integration(iii)을 사용한다.
교수님께서 이 LLO공정은 LG이노텍에서 굉장히 잘 하는 공정이라고 자부심을 가지고 말씀하셨다. ㅋㅋ 실제 공정은 어렵겠지만 원리가 엄청 복잡할 것 같은데, 생각보다 단순한 화학식을 이용해 Device를 물리적으로 뜯어내서 효율을 올리는 게 신기방기. 그럼 여기서 포스팅 끝~
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