발광 다이오드(LED)

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배경

모든 전자 제품 매장에서 구할 수 있는 작은 색상의 조명인 발광 다이오드(LED)는 현대 사회에서 흔히 볼 수 있습니다. 자동차 스테레오의 표시등입니다. 대시보드 및 전자레인지. 시계 라디오의 숫자 표시, 디지털 시계, 계산기는 LED 막대로 구성됩니다. LED는 또한 TV 리모콘과 같은 단거리 광 신호 전송을 위한 통신 애플리케이션을 찾습니다. 그들은 심지어 장신구와 의류에까지 진출했습니다. 테두리를 장식하는 일련의 깜박이는 색 조명이 있는 선바이저를 목격하십시오. LED의 발명가들은 그들이 만들고 있는 혁신적인 아이템에 대해 전혀 몰랐습니다. 그들은 레이저를 만들려고 했으나 도중에 전구의 대체품을 발견했습니다.

전구는 실제로 에너지원에 연결된 전선일 뿐입니다. 와이어가 가열되어 빛의 형태로 열 에너지의 일부를 방출하기 때문에 빛을 방출합니다. 반면에 LED는 열이 발생하지 않고 전자 여기를 통해 빛을 방출합니다. 다이오드는 수도관에 단방향 밸브가 있는 것처럼 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하는 전기 밸브입니다. 밸브가 "켜져 있으면" 전자가 높은 전자 밀도 영역에서 낮은 전자 밀도 영역으로 이동합니다. 이러한 전자의 이동은 빛의 방출을 동반합니다. 접합으로 알려진 층 사이의 경계를 통과하는 전자가 많을수록 빛이 더 밝아집니다. 전자발광 으로 알려진 이 현상은 그러나 작동하는 LED가 만들어지기 전에 더 깨끗하고 효율적인 재료가 개발되어야 했습니다.

LED는 제2차 세계 대전 이후에 개발되었습니다. 전쟁 중에는 빛과 마이크로파 탐지기용 재료에 대한 강한 관심이 있었습니다. 이 연구 노력 동안 다양한 반도체 재료가 개발되었으며 이들의 광 상호 작용 특성이 좀 더 자세히 조사되었습니다. 1950년대에 빛을 감지하는 데 사용되었던 동일한 재료를 사용하여 빛을 생성할 수 있다는 것이 분명해졌습니다. AT&T Bell Laboratories의 연구원들은 1960년대에 이러한 신소재의 광 생성 특성을 최초로 활용했습니다. LED는 레이저 개발 노력의 선구자이자 우연한 부산물이었습니다. 작은 색상의 조명은 비슷한 크기의 전구에 비해 이점이 있기 때문에 산업계에서 약간의 관심을 받았습니다.

최초의 LED는 오늘날 판매되는 LED만큼 안정적이거나 유용하지 않았습니다. 종종 그들은 액체 질소(화씨 -104도 또는 섭씨 -77도) 이하의 온도에서만 작동할 수 있으며 몇 시간 만에 다 타버릴 것입니다. 그들은 매우 비효율적이었고 아주 적은 양의 빛을 생산했기 때문에 전력을 갉아먹었습니다. 이 모든 문제는 1950년대와 1960년대에 적절한 재료를 생산하기 위한 신뢰할 수 있는 기술이 없었기 때문에 그 재료로 만든 장치가 열악했기 때문일 수 있습니다. 재료가 개선되면 기술의 다른 발전이 뒤따랐습니다. 장치를 전자적으로 연결하고, 다이오드를 확대하고, 더 밝게 만들고, 더 많은 색상을 생성하는 방법입니다.

작은 광원을 필요로 하는 애플리케이션을 위한 전구보다 LED의 장점은 텍사스 인스트루먼트와 같은 제조업체를 격려했습니다. 반도체 웨이퍼를 만들기 위해 갈륨, 비소 및/또는 형광체를 먼저 챔버에서 혼합하고 강제로 솔루션으로. 챔버의 가압 가스로 누출되는 것을 방지하기 위해 액체 붕소 산화물 층으로 덮인 경우가 많습니다. 다음으로 막대를 용액에 담그고 천천히 빼냅니다. 용액은 챔버 밖으로 들어올려질 때 막대 끝에서 냉각되고 결정화되어 긴 원통형 결정 주괴를 형성합니다. 그런 다음 잉곳은 웨이퍼로 슬라이스됩니다. 그리고 Hewlett Packard는 LED의 상업적 제조를 추구합니다. 1970년대에 갑작스럽게 시장에 널리 보급된 것은 생산 비용 절감과 LED 디스플레이(시계와 같은)가 있는 제품을 "첨단 기술"로 보이게 하고 따라서 바람직한 것으로 만드는 영리한 마케팅의 결과였습니다. 제조업체는 시계, 과학 기기 및 컴퓨터 카드 판독기에 사용할 다양한 디스플레이를 만들기 위해 연속적으로 많은 LED를 생산할 수 있었습니다. 제조업체가 장치를 보다 효율적이고 저렴하며 더 많은 색상으로 만드는 방법을 모색함에 따라 이 기술은 오늘날에도 여전히 발전하고 있습니다.

원자재

일반적으로 다이오드는 반도체 재료의 매우 얇은 층으로 만들어집니다. 한 층에는 과량의 전자가 있고 다음 층에는 전자가 부족합니다. 이 차이로 인해 전자가 한 층에서 다른 층으로 이동하여 빛을 생성합니다. 제조업체는 이제 이러한 레이어를 0.5미크론 이하(1미크론 =1/10,000인치)만큼 얇게 만들 수 있습니다.

반도체 내의 불순물은 필요한 전자 밀도를 생성하는 데 사용됩니다. 반도체는 불순물이 많이 함유되어 있을 때만 전기가 통하는 결정질 물질입니다. 반도체의 슬라이스 또는 웨이퍼는 단결정의 균일한 결정이며, 불순물은 제조 과정에서 나중에 도입됩니다. 웨이퍼는 정해진 방식으로 섞고 구운 케이크로, 불순물은 케이크에 떠 있는 견과류로 생각하십시오. LED 제조에 사용되는 특정 반도체는 갈륨 비소(GaAs), 갈륨 인화물(GaP) 또는 갈륨 비소 인화물(GaAsP)입니다. 다양한 반도체 재료( 기판이라고 함) 다른 불순물은 LED에서 다른 색상의 빛을 생성합니다.

케이크의 견과류인 불순물은 나중에 제조 공정에서 도입됩니다. 결함과 달리 LED가 올바르게 작동하도록 의도적으로 도입되었습니다. 이 과정을 도핑이라고 합니다. 일반적으로 첨가되는 불순물은 아연 또는 질소이지만 실리콘, 게르마늄, 텔루르도 사용되었습니다. 앞서 언급했듯이 반도체가 전기를 전도하게 하고 LED를 전자 장치로 기능하게 할 것입니다. 전자가 과도하거나 부족한 층이 생성될 수 있는 것은 불순물을 통해서입니다.

장치를 완성하려면 장치와 장치에서 전기를 가져와야합니다. 따라서 기판에 와이어를 부착해야 합니다. 이 와이어는 반도체에 잘 달라붙어야 하고 후속 작업을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다. 반도체 결정에 필요한 불순물을 추가하는 한 가지 방법은 웨이퍼 표면에 결정을 추가로 성장시키는 것입니다. "액상 에피택시(Liquid Phase Epitaxy)"로 알려진 이 프로세스에서 웨이퍼는 흑연 슬라이드에 올려지고 용융된 GaAsP 저장소 아래로 통과됩니다.
포토레지스트를 사용하여 웨이퍼 표면에 접촉 패턴을 노출시킨 후 가열된 진공 챔버에 웨이퍼를 넣습니다. 여기서, 용융 금속은 웨이퍼 표면의 접촉 패턴에 증발됩니다. 납땜 및 가열과 같은 처리. 골드 은 화합물은 웨이퍼 표면에서 갈륨과 화학 결합을 형성하기 때문에 이러한 목적으로 가장 일반적으로 사용됩니다.

LED는 물체가 매달린 투명 문진과 같이 투명한 플라스틱으로 둘러싸여 있습니다. 플라스틱은 다양한 종류가 될 수 있으며 정확한 광학 특성에 따라 LED 출력이 어떻게 보이는지 결정됩니다. 일부 플라스틱은 확산성이 있어 빛이 여러 방향으로 산란됩니다. 일부는 투명하며 좁은 빔으로 LED에서 곧바로 빛을 내보내는 렌즈 모양으로 만들 수 있습니다. 플라스틱은 착색될 수 있으며 특정 색상의 빛이 더 많거나 적게 통과하도록 하여 LED의 색상을 변경할 수 있습니다.

디자인

LED는 전자 장치이자 광학 장치이기 때문에 설계 시 몇 가지 LED 기능을 고려해야 합니다. 색상, 밝기 및 효율성과 같은 원하는 광학 속성은 무리한 전기적 또는 물리적 설계 없이 최적화되어야 합니다. 이러한 특성은 다이오드의 크기, 이를 만드는 데 사용된 정확한 반도체 재료, 다이오드 층의 두께, 반도체를 "도핑"하는 데 사용되는 불순물의 유형과 양에 따라 영향을 받습니다.

제조
프로세스

반도체 웨이퍼 제조

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1 먼저, 반도체 웨이퍼를 만든다. 특정 재료 구성(GaAs, GaP 또는 그 사이의 것)은 제조되는 LED의 색상에 따라 결정됩니다. 결정질 반도체는 고온, 고압 챔버에서 성장됩니다. 갈륨, 비소 및/또는 인광체는 챔버에서 정제되고 함께 혼합됩니다. 열과 압력은 구성 요소를 액화하고 함께 눌러 용액으로 강제합니다. 챔버의 가압 가스로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 액체 붕소 산화물 층으로 덮인 경우가 많습니다. 이 층은 밀봉되어 "서로 붙어야" 합니다. 이를 액체 캡슐화 라고 합니다. 또는 초크랄스키 결정 성장 방법. 균일한 용액에 원소를 섞은 후 막대를 용액에 담그고 천천히 빼냅니다. 용액은 챔버에서 들어올려질 때 막대 끝에서 냉각되고 결정화되어 긴 원통형 결정 잉곳(또는 부울) 을 형성합니다. GaAs, GaP 또는 GaAsP. 이것을 케이크를 굽는다고 생각하십시오.

2 그런 다음 boule은 약 10mil 두께 또는 쓰레기 봉투와 같은 두께의 매우 얇은 반도체 웨이퍼로 슬라이스됩니다. 웨이퍼는 표면이 매우 매끄러워질 때까지 연마되어 표면에 더 많은 반도체 층을 쉽게 수용할 수 있습니다. 원리는 탁자를 칠하기 전에 사포질을 하는 것과 비슷합니다. 각 웨이퍼는 균일한 구성의 재료로 된 단결정이어야 합니다. 불행히도, 때때로 LED 기능을 제대로 작동하지 않게 하는 결정의 결함이 있을 수 있습니다. 불완전한 부분을 꽃이나 설탕 의 혼합되지 않은 조각으로 생각하십시오. 베이킹하는 동안 케이크에 매달려 있습니다. 결함은 연마 과정에서도 발생할 수 있습니다. 이러한 결함은 또한 장치 성능을 저하시킵니다. 결함이 많을수록 웨이퍼가 단결정처럼 행동하지 않습니다. 규칙적인 결정 구조가 없으면 재료는 반도체로 기능하지 않습니다.

3 다음으로 다양한 용매를 사용하여 엄격한 화학 및 초음파 공정을 통해 웨이퍼를 세척합니다. 이 공정은 연마된 웨이퍼 표면에 침전되었을 수 있는 먼지, 먼지 또는 유기물을 제거합니다. 처리가 깨끗할수록 결과 LED가 더 좋아집니다.

에피택시 레이어 추가

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4 케이크에 더 많은 층을 추가하는 것처럼 반도체 결정의 추가 층이 웨이퍼 표면에 성장합니다. 이것은 결정에 불순물 또는 도펀트를 추가하는 한 가지 방법입니다. 이번에는 Liquid Phase Epitaxy 라는 공정으로 결정층을 성장시킵니다. (LPE). 이 기술에서 에피택셜 층(아래 기판과 동일한 결정 방향을 갖는 반도체 층)은 웨이퍼가 용융된 GaAsP 저장소 아래에 그려지는 동안 웨이퍼에 증착됩니다. 저장소에는 적절한 도펀트가 혼합되어 있습니다. 웨이퍼는 녹은 액체(또는 용융물, 라고 하는 것처럼). 다른 도펀트를 순차적 용융에 추가하거나 동일한 용융에 여러 개를 추가하여 전자 밀도가 다른 재료 층을 생성할 수 있습니다. 증착된 층은 웨이퍼의 결정 구조의 연속이 됩니다.

LPE는 매우 균일한 재료 층을 생성하므로 선호되는 성장 및 도핑 기술이 됩니다. 형성된 층은 수 마이크론 두께입니다.

5 에피택셜 층을 증착한 후 색상이나 효율성을 위해 다이오드의 특성을 변경하기 위해 추가 도펀트를 추가해야 할 수 있습니다. 추가 도핑이 수행되면 웨이퍼는 다시 고온 용광로 튜브에 배치됩니다. 여기서 웨이퍼는 도펀트(질소 또는 아연 암모늄이 가장 일반적)를 포함하는 기체 분위기에 잠깁니다. 질소는 종종 다이오드의 최상층에 추가되어 빛을 더 노란색이나 녹색으로 만듭니다.

금속 접점 추가

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6 금속 접점이 웨이퍼에 정의됩니다. 접점 패턴은 설계 단계에서 결정되며 다이오드를 단독으로 사용할 것인지 조합하여 사용할 것인지에 따라 다릅니다. 접촉 패턴은 감광성 화합물인 포토레지스트에서 재현됩니다. 액체 레지스트는 웨이퍼가 회전하는 동안 방울로 증착되어 표면에 분산됩니다. 레지스트는 짧은 저온 베이킹(화씨 215도 또는 섭씨 100도)으로 경화됩니다. 다음으로, 마스터 패턴 또는 마스크를 웨이퍼 위에 놓고 레지스트를 자외선으로 노출시켜 포토레지스트에 복제합니다(네거티브에서 사진을 찍는 것과 같은 방식). 레지스트의 노출된 부분은 현상액으로 씻어내고, 노출되지 않은 부분은 반도체 층을 덮고 남아 있습니다.

7 이제 접촉 금속이 패턴 위로 증발되어 노출된 영역을 채웁니다. 증발은 다른 고온 챔버에서 이루어지며 이번에는 진공 밀봉됩니다. 금속 덩어리는 기화되는 온도로 가열됩니다. 증기가 차가운 창에 안개를 뿌릴 것처럼 응축되어 노출된 반도체 웨이퍼에 달라붙습니다. 그런 다음 포토레지스트를 아세톤으로 씻어내고 금속 접점만 남길 수 있습니다. LED의 최종 장착 방식에 따라 웨이퍼 뒷면에서 추가 금속 층이 증발될 수 있습니다. 증착된 금속은 웨이퍼가 수백 도까지 가열되고 최대 몇 시간 동안 용광로(수소 또는 질소의 불활성 분위기가 흐르면서)에 남아 있도록 하는 어닐링 프로세스를 거쳐야 합니다. 이 시간 동안 금속과 반도체가 화학적으로 결합하여 접점이 벗겨지지 않습니다.

8 이러한 방식으로 생산된 단일 2인치 직경의 웨이퍼는 최대 6000번까지 동일한 패턴을 반복하게 됩니다. 이것은 완성된 다이오드의 크기를 나타냅니다. 다이오드는 쪼개짐(결정면을 따라 웨이퍼를 스냅) 또는 다이아몬드 톱으로 톱질하여 절단됩니다. 웨이퍼에서 절단된 각 작은 세그먼트를 다이라고 합니다. 어렵고 오류가 발생하기 쉬운 공정인 절단은 총 6000개 미만의 사용 가능한 LED를 생성하며 반도체 장치의 생산 비용을 제한하는 가장 큰 문제 중 하나입니다.

장착 및 포장

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9 개별 다이가 적절한 패키지에 장착됩니다. 예를 들어 다이오드가 표시등이나 보석용으로 단독으로 사용되는 경우 길이가 약 2인치인 두 개의 금속 리드에 장착됩니다. 일반적으로 이 경우 웨이퍼의 뒷면은 금속으로 코팅되어 있고 웨이퍼가 놓여 있는 리드와 전기적인 접촉을 형성합니다. 작은 금 와이어가 다른 리드에 납땜되고 다이 표면의 패턴이 있는 접점에 와이어 본딩됩니다. 와이어 본딩에서 와이어의 끝은 매우 가는 바늘로 접촉 금속에 눌러집니다. 금은 변형되어 유사한 금속 표면에 달라붙을 만큼 부드럽습니다.

10 마지막으로 전체 어셈블리가 플라스틱으로 밀봉됩니다. 와이어와 다이는 다음과 같은 모양의 금형 내부에 매달려 있습니다. 일반적인 LED 표시등은 실제 LED가 얼마나 작은지를 보여줍니다. 소형 전구의 평균 수명이 5-10년이지만 최신 LED는 고장나기 전에 100년 이상 지속되어야 합니다. 패키지의 광학적 요구 사항(끝에 렌즈 또는 커넥터 포함)에 부합하고 몰드는 액체 플라스틱 또는 에폭시로 채워집니다. 에폭시가 경화되고 패키지가 완성됩니다.

품질 관리

반도체 제조의 품질은 두 가지 형태를 취합니다. 첫 번째는 최종 생산된 제품에 대한 것이고 두 번째는 제조 시설에 관한 것입니다. 모든 LED는 와이어 본딩 시 동작 특성을 확인합니다. 특정 수준의 전류는 특정 밝기를 생성해야 합니다. 웨이퍼의 각 배치에 대해 정확한 조명 색상이 테스트되고 수명 테스트, 열 및 전력 고장, 기계적 손상을 포함한 스트레스 테스트를 위해 일부 LED가 당겨집니다.

제품을 일관되게 생산하려면 제조 라인이 안정적이고 안전하게 작동해야 합니다. 위의 처리 단계 중 많은 부분을 자동화할 수 있지만 전부는 아닙니다. 시설과 들어오는 블랭크 웨이퍼의 일반적인 청결도를 면밀히 모니터링합니다. 특정 처리 단계(특히 위의 1-5번)에서 공기를 10,000분의 1까지 순수하게 유지하는 특수 시설("클린룸")이 건설됩니다. 이러한 모든 검사는 수율 또는 웨이퍼당 성공적인 LED 수를 개선하려는 욕구에서 비롯됩니다.

미래

광전자공학은 더 나은 처리 기술의 출현으로 꽃을 피우고 있습니다. 이제 5년 전에는 볼 수 없었던 순도와 균일도를 가진 웨이퍼를 만드는 것이 가능합니다. 이것은 얼마나 밝고 효율적인 LED를 만들 수 있는지, 그리고 얼마나 오래 지속되는지에 영향을 미칩니다. 성능이 향상됨에 따라 통신과 같이 점점 더 까다로워지는 애플리케이션에 적합합니다. 소형 전구의 평균 수명은 5-10년이지만 현대 LED의 평균 수명은 100년 이상 지속되어야 합니다. 따라서 해저 또는 우주 전자와 같이 부품을 교체하기 어렵거나 불가능한 애플리케이션에 적합합니다. LED는 장거리 광섬유 에 적합하지 않지만 원격 제어, 칩 대 칩 통신 또는 광 증폭기의 여기와 같은 단거리 광 전송에 종종 유용합니다.

청색 및 백색광 LED를 제조할 수 있는 다른 재료가 개발되고 있습니다. 더 다양한 색상의 표시기 및 장난감을 가능하게 하는 것 외에도 청색광은 광학 저장 및 시각 디스플레이와 같은 일부 응용 분야에 바람직합니다. 파란색과 흰색 빛은 눈에 더 쉽습니다. 추가 색상은 확실히 새로운 응용 프로그램을 열 것입니다.

마지막으로, 공정 기술이 발전하고 단일 칩에 더 많은 장치를 통합하는 것이 가능해짐에 따라 LED 디스플레이는 더욱 "지능화"될 것입니다. 단일 마이크로칩은 영숫자 디스플레이를 만들기 위해 모든 전자 장치를 보유하고 계측을 더 작고 정교하게 만들 것입니다.