1. 서 론

질화갈륨(Gallium Nitride, GaN)은 기존 실리콘(Silicon, Si)과 비교하여 넓은 밴드갭 (3.4 eV), 우수한 전자 이동도 및 높은 항복 전압 등의 특성을 바탕으로 고속 스위칭이 필요한 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 소자, 고전력 소자, 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, AlGaN/GaN 이종접합 전계효과 트랜지스터(Heterojunction Field-Effect Transistor, HFET)는 GaN 기반 소자의 대표적인 구조로, AlGaN층과 GaN층의 이종접합 계면에서 형성되는 이차원 전자 가스(2-Dimensional Electron Gas, 2DEG)로 인해 매우 높은 전자 이동도와 전자 밀도를 구현하여 높은 전류 밀도와 낮은 온저항을 가능하게 한다. 이러한 특성 덕분에 AlGaN/GaN 소자는 높은 출력 전력과 고속 스위칭 성능을 가지고 있어 다양한 고성능 전자기기 및 전력 시스템에 적용될 수 있다^{[1, 2]}. 또한, GaN 기반의 LED는 자외선(Ultraviolet, UV)부터 청색 및 녹색 범위까지의 넓은 발광 파장을 가지며, 이는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다^[3].

최근 마이크로 LED(Micro-LED)는 뛰어난 광학적 특성 덕분에 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. Micro- LED는 고휘도, 고효율, 높은 내구성 등의 장점을 제공하여 디스플레이 및 조명 시스템을 포함한 다양한 응용 분야에서 활용성이 높다^[4]. 그러나 Micro-LED의 상용화와 대규모 생산을 위해서는 개별 Micro-LED와 구동 회로의 통합이 중요한 기술적 과제로 남아 있다^{[5, 6]}. 모놀리식 집적화(Monolithic Integration) 기술은 개별 소자를 단일 칩(Chip) 위에 직접 통합함으로써, 전송 및 정렬 과정에서 발생하는 시간 소모와 정렬 오차 문제를 줄일 수 있다. 이를 통해 더 간결하고 효율적인 디자인을 구현할 수 있으며, 소자의 성능과 신뢰성을 개선 시킬 수 있다^[7]. 기존 연구에서 주로 사용되는 GaN 기반 LED 소자 구조는 다중전자우물(Multi-quantum Well, MQW) 에피 구조를 활용하지만^{[8, 9]}, MQW 구조의 성장은 추가적인 비용 발생과 전기적 스위칭 회로와의 집적화에 어려움이 있다. 따라서, 일부 연구에서는 p-GaN/AlGaN/ GaN 구조를 통해 PN 접합의 LED와 p-GaN 게이트(Gate) 구조를 이용한 증강형 모드(Enhancement-mode, E-mode) 스위칭 소자를 동시에 구현하는 방법이 제안되었다^[10]. 이러한 집적화 기술은 특히 Micro-LED 배열(Array)에 적용될 수 있어, 대면적 Array에서 구동 회로의 반응 지연으로 야기되는 문제를 해결하고 면적을 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 연구에서는 간단하고 비용 효율적인 공정을 통해 발광 특성을 가지는 스위치 통합(Switch-integrated) Micro- LED를 제작하였으며, 전기적 스위칭과 발광 기능을 단일 칩에 집적하였다. 본 연구는 p-GaN Gate를 사용하여 트랜지스터가 E-mode로 동작하도록 하였고, 드레인(Drain) 영역에 p-GaN층을 활용하여 공급되는 정공과 2DEG에서 공급되는 전자의 재결합을 통해 발광하는 소자를 구현하였다.

2. 실험 과정

2.1 소자 공정

본 연구에서는 p-GaN층을 활용한 E-mode 동작과 LED 발광이 이루어지도록 소자를 제작하였다. 연구에서 사용된 AlGaN/GaN 웨이퍼 구조는 (111) 결정성을 가진 Si 기판 위에 GaN 버퍼층, GaN 채널층, AlN 중간층, Al0.2Ga0.8N 장벽층, 그리고 p-type으로 도핑된 p-GaN층이 순차적으로 존재한다. 여기서 p-GaN층의 두께는 70nm, AlGaN층은 15nm, GaN층은 200nm로 구성되었다. 소자 제작을 위해 먼저 아세톤과 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol, IPA) 용액으로 웨이퍼를 세척한 후, p-GaN Gate와 Micro-LED의 양극(Anode)을 형성하기 위해 선택적 식각(Selective-etching) 기법을 활용하여 p- GaN층을 식각하였다^[11]. Selective-etching은 BCl3/Cl2 가스를 사용하여 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각(Inductively Coupled Plasma-reactive Ion Etcher, ICP- RIE) 장비로 진행하였다. 다음으로 트랜지스터의 소스(Source) 영역에 오믹(Ohmic) 접합을 형성하기 위해 전자빔 증착기를 사용하여 Ti/Al/Ni/Au(= 20/120/25/50nm) 금속들을 순차적으로 증착한 후, 830℃의 질소 (N2) 환경에서 30초 동안 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 진행하였다. 이후, 소자 간의 격리(Isolation)를 위해 BCl3/Cl2 가스를 사용한 ICP-RIE 공정으로 AlGaN/ GaN층을 400nm 깊이로 식각하였다. 이어서 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 방식을 사용하여 120nm 두께의 산화규소(SiO2)를 증착하여 패시베이션(Passivation)층으로 활용하였다. Passivation층을 증착한 후 400℃의 산소 (O2) 환경에서 5분 동안 열처리를 진행하였으며, LED의 Anode 전극 형성을 위해 Drain 영역의 p-GaN층 위에 증착된 SiO2를 식각한 후 Ni/Au(= 5/5nm) 금속들을 증착하였다. 금속의 증착 두께를 얇게 한 이유는 내부에서 발생한 빛이 p형 Ohmic 전극을 쉽게 통과할 수 있도록 하기 위함이다. Ni/Au 금속 접합은 공정이 간단하며 비교적 저렴하여 p형 Ohmic 전극으로 사용될 수 있다^[12]. Ni/Au 금속을 증착한 후 500℃의 N2 및 O2 환경에서 5분 동안 열처리를 진행하였으며, 마지막으로 Gate 전극과 측정을 위한 금속 패드(Pad)를 형성하기 위해 Ni/Au(= 50/150nm)를 증착하였다. Fig. 1은 본 연구에서 제작된 소자의 단면과 공정 흐름도를 보여준다.

Fig. 1. Schematic process flow of the fabricated switch-integrated micro-LED

2.2 소자 구조

본 연구에서는 원형 구조의 Switch-integrated Micro-LED를 제작하였다. 일반적인 소자 구조에서는 전극의 가장자리에 걸리는 전계가 더 크기 때문에 Drain 영역의 p형 Ohmic 전극에 전압을 고르게 인가하기 위해 소자를 원형으로 제작하였고 Drain의 p-GaN의 지름을 100㎛로 설정하여 발광 현상을 관측하기 용이하게 구조를 설계하였다. 또한, p형 Ohmic 전극 범위에 따른 발광 범위를 확인하기 위해 두 가지 레이아웃으로 소자를 제작하였다. Fig. 2는 원형 구조의 Switch-integrated Micro-LED의 레이아웃과 단면도를 보여주며, p형 Ohmic이 p-GaN층의 모든 영역 위에 형성된 구조이다. 반면, Fig. 3은 p형 Ohmic이 Drain 전극 아래에만 형성된 구조의 레이아웃과 단면도를 보여준다. 설계된 Switch-integrated Micro-LED 소자는 트랜지스터와 다이오드가 결합된 구조로 제작되었으며, 해당 소자의 회로도와 제작된 Switch-integrated Micro-LED의 현미경 사진은 Fig. 4와 같다. 가운데 원형으로 Drain 전극이 형성되었으며 Gate-Source 거리는 2㎛이며 채널의 넓이는 약 314㎛이다. 현미경 사진에서 p형 Ohmic의 경우, 두께가 매우 얇기 때문에 투명하게 나타난다.

Fig. 2. (a) Layout and (b) cross-sectional images of a circular switch-integrated micro-LED with a drain area of 100µm in diameter. Structure with p-type Ohmics formed throughout the drain p-GaN

Fig. 3. (a) Layout and (b) cross-sectional images of a circular switch-integrated micro-LED with a drain area of 100µm in diameter. Structure with p-type Ohmics formed only under the drain electrode

Fig. 4. (a) Circuit diagram of a fabricated switch-integrated micro-LED and (b) microscopic image of the fabricated circular switch-integrated micro-LED

3. 실험 결과

제작된 Switch-integrated Micro-LED의 특성을 확인하기 위해 동일한 기판에서 같은 공정 프로세스로 제작된 p-GaN Gate AlGaN/GaN HFET의 특성을 같이 확인하였다. Fig. 5(a)는 Fig. 2의 구조를 가지는 Switch-integrated Micro-LED 및 p-GaN Gate AlGaN/GaN HFET 소자의 전달 특성을 보여준다. 제작된 두 소자 모두 동일한 층 두께의 p-GaN Gate를 가지므로 모두 약 1.7V의 문턱 전압을 가지며 E-mode 동작을 하는 것을 확인하였다.

Fig. 5(b)는 Fig. 2의 구조를 가지는 Switch-integrated Micro-LED 소자의 출력 특성을 보여준다. 일반적인 p-GaN Gate AlGaN/GaN HFET과 달리 Switch-integrated Micro- LED 소자는 Drain 영역의 p-GaN/AlGaN/GaN 다이오드 구조의 추가에 따라 4V 정도의 LED 턴-온(Turn-on) 전압을 요구하는 단방향 특성을 보여준다.

Fig. 6은 Switch-integrated Micro-LED의 다이오드 특성을 보여준다. 제작된 소자에서 Gate 부분을 고려하지 않는다면 Drain을 Anode, Source를 음극(Cathode)으로 볼 수 있으며, Anode에 인가되는 전압에 따른 전류를 측정하여 Drain 영역에 구성된 LED의 특성을 확인하였다. 앞서 언급하였듯이 LED의 문턱 전압은 4V로 나타났으며, 이는 p-GaN과 GaN 채널층의 PN 접합으로 인한 내부 전압(Built-in Voltage)에서 기인한다^[13].

Fig. 5. (a) Transfer and (b) output characteristics of the p-GaN gate AlGaN/ GaN HFET and switch-integrated micro-LED with p-type Ohmics formed throughout the drain p-GaN

Fig. 6. Current-voltage characteristics of the diode in the drain region for the switch-integrated micro-LED device with p-type ohmics formed throughout the drain p-GaN

Fig. 7은 Fig. 3의 구조를 가지는 Switch-integrated Micro-LED의 전달 및 출력 특성을 보여준다. 전달 특성의 경우, Fig. 2의 구조를 가지는 소자와 비교하였을때 Gate 문턱 전압의 차이는 나타나지 않았지만, Drain 전류가 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 차이는 Fig. 2의 구조에서는 Ohmic 전극이 LED의 Anode 영역 전체에 형성되어 얇은 p-GaN층의 수평 방향에서 발생하는 확산저항(Spreading Resistance)을 억제하는 효과가 있는 반면에 Fig. 3의 구조에서는 Ohmic 전극이 Drain전극 하부에만 형성되어 있으므로 Ohmic 전극이 없는 p-GaN 영역의 확산저항 성분으로 인해 대부분의 전자-정공의 흐름이 Drain 전극 하부 영역에서만 발생하기 때문이다. 따라서 Fig. 3의 구조에서는 Switch-integrated Micro-LED의 전류밀도가 저하된다. Table 1은 Fig. 2 및 Fig. 3 구조를 가진 Switched-integrated Micro-LED의 포화영역인 Drain 전압(Vds) 15V에서 동일 Gate 전압(Vgs) 4V일 때의 전류밀도를 보여준다. Fig. 2의 구조와 비교했을 때, Fig. 3의 구조에서 전류밀도가 약 25% 감소됨을 확인하였다.

Fig. 7. (a) Transfer and (b) output characteristics of switch-integrated micro- LED with p-type ohmics formed only under the drain electrode

Fig. 8과 Fig. 9는 각각 Fig. 2와 Fig. 3의 구조를 가지는 원형 Switch-integrated Micro-LED의 발광 이미지를 보여준다. Table 1에서 동일한 전압을 인가했을 때 구조에 따라 전류값의 차이가 있는 것을 확인했기 때문에 전압 조건을 조정하여 유사한 전류가 흐를 때 발광 범위의 차이를 관찰하였다. 두 가지 구조 모두 구동 전류가 증가함에 따라 발광 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 두 소자의 구조적 차이에 따라 발광 영역의 차이가 관찰되었는데 Fig. 8의 경우, p형 Ohmic이 p-GaN층 전체에 형성되어 있어 LED 전 영역에서 발광하는 것을 확인할 수 있었지만 Fig. 9에서는 p형 Ohmic이 Drain 전극 아래에만 국부적으로 형성되어 해당 부분에서만 발광하는 현상을 보였다. 이러한 발광 현상의 차이는 앞서 설명한 바와 같이 얇은 p-GaN층의 수평 방향에서 발생하는 확산저항 성분으로 인해 Fig. 3의 구조에서 대부분의 전자- 정공 재결합 현상이 Ohmic 전극 하부에서 집중되기 때문이다. Fig. 2의 구조에서는 LED의 표면이 Ohmic 전극으로 덮여있음에도 불구하고, 그 두께가 두껍지 않기 때문에 발생한 대부분의 빛이 얇은 Ohmic 전극 층을 통과하는 것으로 관측되었다. 따라서 얇은 Ohmic 전극 층을 사용하면 확산저항 성분을 효과적으로 억제하면서 발광된 빛이 충분히 통과할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 8. Electroluminescence images of a circular switch-integrated micro-LED with p-type ohmics formed throughout the drain p-GaN at different voltage biases and current densities. (a) Vgs = 4V, Vds = 8V, Id = 0.0349A and (b) Vgs = 4V, Vds = 10V, Id = 0.064A

Fig. 9. Electroluminescence images of a circular switch-integrated micro- LED with p-type ohmics formed only under the drain electrode at different voltage biases and current densities. (a) Vgs = 4V, Vds = 15V, Id = 0.04A and (b) Vgs = 6V, Vds = 15V, Id = 0.07A

4. 결 론

본 연구에서는 p-GaN/AlGaN/GaN 이종접합 구조를 사용하여 GaN Micro-LED 구동을 위한 모놀리식 Switch 집적 공정을 개발하였다. 제작된 Switch-integrated Micro- LED 소자는 p-GaN Gate를 가지는 트랜지스터의 Drain 영역에서 p-GaN층의 정공과 2DEG 전자의 재결합을 통해 발광이 가능하도록 설계되었으며, 약 1.7V의 문턱 전압으로 E-mode로 동작하는 특성을 보였다. 또한, p형 Ohmic 전극 형성에 따른 발광 현상의 차이를 관찰하였다. 얇은 p형 Ohmic이 p-GaN층 전체에 형성되면 얇은 p-GaN층의 수평 방향에서 발생하는 확산저항을 억제하여 균일한 발광 현상을 보였으며, 이때 발생한 빛이 얇은 Ohmic 전극을 충분히 통과할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 제작된 소자는 Micro-LED에 집적된 Switch 소자를 제어하여 Micro-LED의 발광 세기를 효율적으로 조절할 수 있는 특성을 보였으며, 빛의 투과성이 높은 물질을 p형 Ohmic 전극으로 활용한다면 발광 효율을 더욱 개선할 수 있을 것으로 기대한다.