질화물계 발광다이오드에서 스트레스와 결함이 소자 특성에 미치는 영향

Abstract

질화물계 발광다이오드는 녹색, 청색, 그리고 자외선 영역의 빛을 발광할 수 있는 소자로 현재 다양한 산업 분야에서 이용이 되고 있다. 특히, 황색 형광체를 도포한 청색 발광다이오드는 백색을 구현하여 핸드폰과 텔레비젼의 백 라이트 유닛으로 활용이 되고 있으며, 향후 형광등 및 백열등을 대체할 차세대 광원으로 각광을 받으며 국내외에서 활발한 연구가 이루어지고 있다. 하지만 질화물계 발광다이오드를 조명으로 활용하기에는 여전히 많은 문제점을 가지고 있다. 다층 구조로 이루어진 발광다이오드는 각 층의 서로 다른 격자 상수로 인해 변형이 발생하고 각 층은 스트레스를 받게 된다. 이러한 스트레스는 dislocation을 야기하며 결정성을 저하시킨다. 또한 이러한 변형과 스트레스로 인해 발광다이오드의 활성층 영역에는 매우 큰 압전 전기장이 형성되어 발광다이오드의 효율 및 소자 성능을 크게 저하시킨다. 또한 금속 유기 화학 기상 증착법에 의한 발광다이오드 구조의 박막 성장은 성장법의 특성상 많은 결함을 야기한다. 이러한 결함은 밴드갭 에너지내 깊은 에너지 준위를 가지며 비 발광 재결합의 원인이 되므로 발광다이오드의 효율을 크게 저하시킨다. 하지만 변형 및 스트레스를 설명하는 기존의 연구들은 물리적인 해석이 아닌 직관에 의한 모델이며, 매우 복잡한 실제 구조에는 적용이 어려운 단점을 가지고 있다. 또한 변형 및 스트레스로 인한 압전 전기장의 크기를 알기 위해 이론을 통해 계산하고 다양한 실험 방법을 통해 많은 연구들이 진행되어 왔으나 예측값과 측정값의 큰 차이가 존재하며, 다양한 실험 방법들에 대한 비교도 이루어지지 않았다. 그리고 질화물계 반도체에 존재하는 많은 결함을 정량적으로 측정하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔으나 국내에서는 결함을 측정하기 위한 실험이 전무한 실정이다. 이에 본 논문에서는 질화물계 발광다이오드의 성능 향상을 위해 앞서 설명한 복잡한 다층 구조에서도 변형 및 스트레스의 예측이 가능한 새로운 해석 모델을 제안하였으며, 활성층 영역의 압전 전기장에 대한 다양한 측정 방법을 서로 비교하여 보다 정확한 측정 방법을 제시하고 보다 정확한 측정을 통해 이를 이론값과 비교하여 보았다. 또한 n형 GaN 반도체 내에 존재하는 결함의 측정을 국내에서는 처음으로 정량적으로 측정하였다. 본 논문의 2장에서는 다층 구조로 이루어진 발광다이오드의 성장 중에 나타나는 변형과 이로 인한 스트레스가 발광다이오드 소자 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 이를 분석할 수 있는 새로운 스트레스 해석 모델을 제안하였다. 새로운 스트레스 해석 모델에서는 기존의 직관에 의한 해석 모델들에 비해 물리적으로 타당한 경계 조건을 제시하여 보다 정확한 분석 방법을 도출하였다. 제안된 스트레스 해석 모델은 시뮬레이션을 통해 복잡한 다층 구조의 질화물계 반도체에서의 스트레스를 해석을 수행하고 이를 분석하였다. 또한 다수의 실험을 통해 얻어진 질화물계 레이져 다이오드의 최적 구조가 새로운 스트레스 해석 모델로 얻어진 결과와 일치함을 확인할 수 있었다. 본 논문의 3장에서는 스트레스로 인한 질화물계 발광다이오드의 양자우물내의 압전 전기장의 크기를 측정하고 이를 2장에서 제안한 스트레스 해석 모델과 비교하였다. 우선 양자 우물내의 내부 전기장을 측정하기 위해 electroreflectan (ER) 와 photocurrent (PC) spectroscopy 측정 방법을 수행하고 이를 비교하여 보다 정확한 측정 방법에 대해 논의하였다. 또한 양자 우물 내의 인듐 함유량에 따른 압전 전기장의 크기와 InGaN/GaN superlattice (SL) prestrained layer의 유무에 따른 압전 전기장의 크기를 측정하여 양자 우물과 SL 층의 압전 전기장의 크기를 정량적으로 구분해 내었다. 본 논문의 4장에서는 steady state photocapacitance (SSPC)를 이용하여 질화물계 반도체내에 존재하는 deep level defects의 에너지, 밀도 그리고 결함의 종류를 조사하였다. 밴드갭 에너지 내 전도대 아래 1.25, 2.8, 그리고 3.3eV 에서 세 개의 deep level states를 측정할 수 있었다. 또한 이들의 deep level density는 각각 3.0×1015 cm-3, 1.7×1015 cm-3, and 3.2×1015 cm-3 임을 알 수 있었다. 또한 각각의 deep level defects는 carbon interstitial, VGa-O와 VGa-donor complexes, 그리고 CN에 기인함을 알 수 있었다. 본 논문에서는 상기 연구를 통해 질화물계 반도체의 변형 및 스트레스, 압전 전기장의 세기, 그리고 결함의 분석 및 측정을 통해 이러한 특성들이 질화물계 발광 다이오드의 소자 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 이러한 연구를 통해 질화물계 발광 다이오드의 성능 향상을 기대하며, 향후 질화물계 발광 다이오드의 조명으로서의 응용에 도움이 되기를 기대한다.