광 여기를 이용한 GaN LED의 개방전압 온도 특성 및 상태밀도 분석

Abstract

발광 다이오드(light-emitting diode, LED)가 조명 등의 생활광원으로서 기존의 형광등, 백열등을 대체하여 빠르게 보급되고 있다. 특히 청색 계열 GaN 기반의 LED는 이의 필수 요소이나, 주입된 전하 운반자(charge carrier)가 증가함에 따라 효율이 감소하는 효율 저하(efficiency droop) 현상을 보이고 있다. 이 현상의 원인에 대해 많은 연구가 이루어지고 있으나 주요 원인은 아직 논란으로 남아 있는 상태이다. 최근 주입된 전자가 양자우물을 넘어서 p-GaN으로 넘쳐나는 현상인 운반자 넘침(carrier overflow) 현상이 효율 저하의 주요 원인 중 하나로 주목받고 있다. 본 논문에서는 광학적 여기를 이용하여 개방전압(open-circuit voltage)과 상태밀도(density of states)를 측정하여 LED의 특성을 측정하는 방법을 확립하고, 효율 저하의 원인에 대해 추가적인 실마리를 얻고자 하였다. 광학적 여기 방법은 전기적 여기 방법과 달리 소자의 직렬 저항이나 활성층 내의 불균일한 운반자 분포와 같은 문제를 야기하지 않는 장점이 있다. 개방전압은 온도와 입사광 세기를 변화시키며 측정하였으며, 단순한 운반자 넘침 외에 추가적 이유가 필요하다는 결론을 얻었다. 또한 활성층의 상태밀도를 측정하기 위해서 photoluminescence excitation (PLE) 분광과 광전류(photocurrent) 분광을 위한 장비를 설계, 제작하여 실험하였다. 정확한 실험결과를 얻기 위해서는 극저온에서 실험이 진행되어야 함을 보였으며, 오차의 원인이 될 수 있는 광원의 특성, 광흡수와 광전류와의 관계 등을 고찰하였다.