Study on GaN-based Near-Ultraviolet Light Emitting Diodes

Abstract

최근 가시광 영역부터 자외선 파장 영역에 이르는 질화물계 발광다이오드 제품은 소형화, 고휘도, 저전력소모, 긴 수명, 친환경, 우수한 신뢰성 등과 같은 우수한 성능을 바탕으로 백열등 및 형광등과 같은 기존 조명제품 그리고 경화기에 사용되는 자외선 램프와 같은 기존 자외선 응용 제품 시장을 대체하기 위해 많은 관심을 받고 있다. 그 중 일반 조명 제품, 백 라이트 유닛 등과 같은 조명 분야 제품과 에어컨, 정수기, 살균기, 자외선 경화기, 바이오 의료 기구와 같은 자외선 응용 분야에 큰 관심을 받고 있으며 315nm~400nm 범위의 UVA LED 중 자외선 경화 시장을 중심으로 380 nm UVA LED의 응용이 빠르게 이루어지고 있다. 하지만 자외선 발광 다이오드는 400nm 이하의 파장 영역에서 파장이 감소할수록 외부 양자 효율이 급격히 떨어지는 문제점이 있어 효율 향상을 위해 많은 연구가 필요하다. 자외선 발광 다이오드의 파장이 감소할수록 성능이 저하되는 이유는 다음과 같다. 첫 번째로 질화물계 박막 내부 결함을 줄일 수 있는 적합한 기판이 없기 때문에 박막 내부의 높은 결함 밀도로 인한 비발광 재결합 성분 증가로 발광 효율 및 신뢰성 특성에 큰 영향을 미치고 있다. 두 번째로 주입 전류가 증가함에도 내부 양자 효율 저하 현상되는 효율 저하 현상이 있다. 세 번째로 P형 AlGaN 층의 높은 정공의 활성화 에너지로 인해 P 전극과의 ohmic 저항이 크며 이로 인해 높은 구동 전압을 갖는다. 네 번째로 자외선 발광 다이오드의 광 추출 효율을 높이기 위해 발광 파장에 적합한 반사도가 높은 금속 물질을 찾기 어렵고 발광 파장에 따라 p 형 층의 자체 광 흡수가 발생된다. 다섯 번째로 신뢰성 영향에 의해 비발광 재결합 성분의 증가, P형 층과 P 전극의 접촉 저항 증가로 인한 구동 전압 증가와 같은 신뢰성 이슈로 자외선 발광다이오드의 효율이 감소하는 문제점이 있다. 이와 같이 효율을 저하시키는 많은 요인들이 내재되어 있다. 이에 질화물계 380 nm 근자외선 발광다이오드의 발광 효율 향상을 위해 본 논문에서는 비발광 성분 감소를 통한 발광 효율 향상의 주요 인자에 대한 연구를 진행하였다. 이를 위해 다양한 에피 구조에 대한 전기적 광학적 특성 측정 및 분석을 진행하였다. 또한 380 nm 근자외선 발광다이오드의 특성에 대해 비발광 성분이 미치는 영향을 연구하고자 신뢰성 실험을 진행하여 유효 활성층 부피에 따른 비발광 성분의 변화 및 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며 1장에서는 380 nm 근자외선 발광다이오드의 응용과 현재 성능에 대한 기술적 문제점을 기술하였으며 2장에서는 400nm 이하로 파장이 감소할 수록 효율이 급격히 감소하는 원인을 파악하고자 380 nm 근자외선 발광다이오드의 발광 효율 향상을 위한 주요 인자를 도출하였다. 본 논문의 3장에서는 발광 효율 향상을 위해 초격자층을 삽입하여 380 nm 근자외선 발광다이오드의 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 초격자 층 삽입을 통해 균일한 발광 패턴 및 발광 효율 증가를 확인하였고 이는 초격자층을 통한 활성층 내부의 결함 감소 및 고른 전류 확산에 의한 영향임을 확인하였다. 4장에서는 발광 효율 향상을 위해 활성층 수의 증가 및 양자 장벽 층의 두께 증가를 통한 유효 활성층 부피의 증가가 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 전자와 정공의 고른 분포로 인한 발광 효율이 증가하였다. 또한 유효 발광 부피가 증가할수록 활성층 내부의 비발광 성분 계수가 감소하여 발광 효율이 증가한 것으로 확인되었다. 5장에서는 활성층 수를 달리하여 유효 활성층 부피증가에 의한 신뢰성 영향에 대하여 연구를 진행하였다. 활성층 수를 증가할수록 신뢰성에 의한 비발광 성분의 증가가 상대적으로 감소하여 활성층 수가 적은 경우보다 우수한 신뢰성 성능을 보였다. 유효 발광 부피의 증가를 통한 활성층 내의 결함 감소는 신뢰성 성능 및 발광 효율에 있어 중요한 인자임을 확인하였다. 본 논문에서는 질화물계 380 nm 근자외선 발광 다이오드의 초격자층의 삽입, 활성층 수의 증가 및 양자 장벽 층의 두께 증가를 통한 유효 활성층 부피의 증가와 같은 주요 인자가 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 효율 향상을 위해 유효 활성층 내의 결함 감소를 통한 비발광 성분 감소가 발광 효율 향상 및 신뢰성 성능에 큰 영향을 주는 주요 인자임을 확인하였다. 본 연구를 통해 근자외선 발광 다이오드의 성능 향상을 기대하며 현재보다 많은 응용 분야에 널리 사용되기를 기대한다.