Study on the Improvement of the Power Efficiency of InGaN-Based Light-Emitting Diodes

Abstract

1990년대부터 본격적으로 연구 개발된 질화물계 기반 청색 발광다이오드는 인류가 발명한 최고의 상용화 고체 조명용 광원으로서 큰 성장을 이루어 왔다. 최근에는 조명용 광원뿐만 아니라 다양한 응용 분야에서 사용하기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이를 위하여 더욱 고출력, 고효율로의 성능 개선이 요구되고 있다. 이에 본 논문에서는 질화물계 기반 청색 발광다이오드의 전력변환효율의 저하를 지배하는, 전류 증가에 따른 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE)의 저하 현상 및 전압 강하로 인한 전압효율 저하에 대한 원인을 규명하였다. 또한, 내부양자효율과 전압효율의 상관관계가 존재함을 처음으로 지적하였으며, 이들 상호관계의 원인 고찰을 통하여 내부양자효율과 전압효율을 동시에 개선할 수 있는 방법에 대하여 연구하였다. 발광다이오드의 전력변환효율을 개선하기 위해서는 무엇보다도 전력변환효율을 지배하는 물리적 인자를 파악하여야 한다. 이를 위하여 전력변환효율을 구성하고 있는 개별 효율들을 분리하여 정량적으로 측정하는 것이 요구된다. 이 가운데 내부양자효율의 측정은 가장 핵심적 역할을 함에도 불구하고 현재까지 실험 데이터로부터 직접 환산하여 얻을 수 없는 기술적 어려움이 있었다. 본 논문의 2장에서는 본 연구실에서 개발된 내부양자효율 측정법 중 대표적인 방법으로 알려진 기준점을 이용한 상온 내부양자효율 측정법(room-temperature reference point-method, RTRM)의 측정 정확성에 대하여 검증하였다. 또한 상온 내부양자효율 측정법에서 중요한 인자인 기준점에 대한 물리적 분석을 진행하였으며 이에 대한 실험적 근거를 제시하였다. 또한 내부양자효율을 이용하여 계산된 광추출효율이 광 여기 전류(photocurrent) 측정 결과와 일치하는 경향을 확인하였다. 정확한 내부양자효율 측정을 바탕으로, 3장과 4장에서는 본격적으로 InGaN 기반 청색 발광다이오드의 전력변환효율 저하에 영향을 미치는 내부양자효율 저하 현상(IQE droop)의 원인과 전압효율 저하를 야기하는 전압 상승의 원인에 대하여 조사하였다. InGaN 청색 발광다이오드에서 주입 전류 증가에 따른 내부양자효율 저하 현상의 원인을 조사하기 위해 AlGaInP 적색 발광다이오드의 온도에 따른 전기적, 광학적 특성에 대한 비교 분석을 수행하였다. 청색과 적색 발광다이오드의 명확한 특성 차이로부터 InGaN 청색 발광다이오드의 내부양자효율 감소는 발광 재결합률의 포화로 인한 운반자 넘침 현상이 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다. InGaN 청색 발광다이오드에서 전류 증가에 따른 다중양자우물 내 재결합률의 제한은 전압 상승에도 영향을 미친다는 것을 3장에서 지적하였다. 이를 바탕으로 4장에서는 InGaN 청색 발광다이오드에서 전압 상승과 활성층에서의 재결합 메커니즘과의 관계 규명을 위해 광 여기를 이용하여 전기적 특성을 조사하였다. 광 여기는 다중양자우물에 전자-정공 쌍을 생성하며 이로 인하여 단락 전류와 개방 전압이 발생한다. 발광다이오드의 단락 전류와 개방 전압을 물리적으로 해석하였으며, 실험을 통하여 광 여기로 인한 전기적 특성은 전압 강하가 발생하지 않음을 확인하였다. 재결합 저항의 영향을 받는 전압 상승을 통하여 발광다이오드 내 재결합 메커니즘에 대한 모델을 제시하였다. 5장에서는 전압효율과 내부양자효율의 동시적 개선을 위한 물리적 메커니즘 조사를 위해 고전류에서 청색 발광다이오드의 순방향 전압과 내부양자효율을 측정하였다. 순방향 전압과 내부양자효율 관계에 대하여 4장에서 제안된 재결합 메커니즘 모델과 발광/비발광 전류 분리를 통한 분석을 수행하였으며, 동시적 개선을 위해서는 비발광 재결합률의 감소보다는 발광 재결합률의 향상이 필수적임을 밝혔다. 또한 활성층의 성능을 평가할 수 있는 새로운 물리적 인자로서 활성층효율(active efficiency)을 제안하였다. 본 논문에서는 청색 발광다이오드의 전력변환효율 개선을 위해 각 효율들의 분리 측정을 통한 물리적 의미와 재결합 메커니즘에 의해 결정되는 전기적, 광학적 특성 분석을 수행하였다. 양자우물의 활성층에서 발생하는 발광 재결합률의 포화가 전압효율과 내부양자효율의 지배에 핵심적인 물리적 원인임을 밝혔으며, 전압효율과 내부양자효율의 동시적 개선을 위해서는 발광 재결합률의 포화가 작은 양자우물의 활성층을 도입하는 것이 매우 중요함을 지적하였다. 본 논문의 결과들로부터 청색 발광다이오드의 효율 개선 방향, 재결합 특성에 대한 이해, 측정 방법에 대한 고찰에 큰 도움이 되기를 기대한다.; Nitride-based blue light-emitting-diodes (LEDs) are being extensively utilized as light sources for general lighting and various other applications. For this purpose, higher-efficiency LEDs are preferred. In this thesis, the causes of decrease in internal quantum efficiency (IQE) with increasing current, the degradation of voltage efficiency (VE) caused by the additional potential drop, and a method of improvement in both the IQE and VE are studied to enhance the power efficiency (PE) of the InGaN-based blue LEDs. First, it is required to measure the various LED efficiencies separately in order to identify factors affecting the PE of LEDs. The IQE cannot be directly measured, but measuring the IQE accurately is the key for separation of various LED efficiencies. In Chapter 2, the room-temperature reference-point method (RTRM), which is one of the representative methods of IQE measurement, is discussed and verified. The physical analysis of the reference point used in the RTRM is carried out with the experimental data. In addition, it is confirmed that the light-extraction efficiencies (LEEs) calculated by the RTRM-based IQEs have the same trend as the separately measured photocurrent characteristics. The decreasing IQE with current, known as the IQE droop, and the additional potential drop outside the junction lead to the degradation of the PE. Based on the accurate IQE measurement, in Chapters 3 and 4, the causes of the IQE droop and the additional potential drop are extensively investigated. In order to investigate the causes of the IQE droop in InGaN blue LEDs, comparative analysis of temperature-dependent electrical and optical characteristics of AlGaInP-based red LEDs are performed in Chapter 3. Through contrasting behaviors of InGaN and AlGaInP LEDs, it is confirmed that the IQE droop in InGaN LEDs is greatly influenced by the carrier overflow due to the saturation of the radiative recombination rate. The saturation of the radiative recombination rate in InGaN blue LEDs as identified in Chapter 3 also affects the potential drop. In Chapter 4, electrical characteristics of InGaN LEDs are investigated using photoexcitation in order to clarify the relation between the potential drop and the recombination mechanism. The short-circuit current and the open-circuit voltage, generated by photoexcited electron-hole pairs in the multiple quantum wells (MQWs) are investigated, yielding the result of no potential drop outside the junction. From this result, a potential-drop model is proposed to include the recombination mechanism. In Chapter 5, the interrelation between the IQE and forward voltage (VF) is investigated experimentally. The active efficiency (AE) is defined to evaluate the quality of the active layer. The physical mechanism for improving both the IQE and VF is analyzed with the separated radiative and nonradiative currents, using the model of recombination mechanisms proposed in Chapter 4. The results of investigation presented in this thesis are expected to contribute to improving the PE of InGaN blue LEDs further. They will also help understand the recombination characteristics and the IQE measurement methods of LEDs.