청색 LED의 미분 운반자 수명 측정과 운반자 재결합 원리 분석

Abstract

발광 다이오드(light-emitting diode, LED)는 현재 수많은 응용분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 대표적으로 모니터나 TV 같은 디스플레이 장치의 backlight unit(BLU), 신호등, 간판, 자동차 헤드라이트 등 우리 생활과 아주 밀접한 관계를 가지고 있으며, 궁극적으로 차세대 조명으로 사용하기 위한 연구가 진행 중이다. 하지만 LED를 새로운 광원으로 사용하기 위해서는 해결해야할 문제들이 존재하며 그중 가장 주목을 받고 있는 문제점은 효율저하(efficiency droop) 현상이다. InGaN에 기반한 청색 LED의 효율저하 현상은 LED를 차세대 광원으로 사용하기 위해 해결해야 하는 아주 중요한 문제이다. 이 현상을 설명하고 해결하기 위해 세계적으로 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 본 논문에서는 LED의 운반자 수명 측정을 통해 효율저하 현상을 살펴보았다. LED의 운반자 수명을 측정하는 방법에는 여러 가지 방법이 존재하는데, 본 논문에서는 순수하게 전기적인 방법을 통해서 LED의 운반자 수명을 측정하여 구하였다. 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer)를 이용하여 LED의 S11 파라미터를 측정하였으며, 이로부터 LED의 임피던스를 구하였다. 그리고 LED의 rate equation에 기반한 등가회로를 이용하여, 실험을 통해 측정한 임피던스로부터 미분 운반자 수명(differential carrier lifetime)을 얻을 수 있었다. 또한, 별도로 측정한 전류에 따른 내부양자효율(internal quantum efficiency)과 결합하여, 발광/비발광 재결합 수명을 분리할 수 있음을 확인하였다. 분리된 발광/비발광 재결합 수명의 분석을 통해서, 효율저하가 시작되는 고전류 영역으로 감에 따라 발광 재결합 수명은 점점 감소하다가 포화되지만 비발광 재결합 수명은 급격하게 짧아짐을 확인하였다. 본 연구에서 수행한 미분 운반자 수명 측정을 통해서 LED 소자 내부 활성층 영역에서 발광/비발광 운반자 재결합 원리의 상세한 이해와 효율저하에 대한 더욱 세밀한 연구들이 진행될 수 있을 것이라 기대된다.