GaN계 발광다이오드의 3차원 회로 모델링을 통한 열 및 전기적 소자 특성 분석

Abstract

본 논문에서는 GaN계 청색 발광다이오드(light emitting diode)의 높은 신뢰성과 성능 향상을 위해 회로 모델링 기법을 이용하여 전기적 특성을 분석하였고, 분석한 결과를 발광 분포도와 ESD(electrostatic discharge) 파괴 실험 결과와 비교하여 그 관계성을 연구하였다. 또한 균일한 발광 분포를 갖는 전극 패턴 설계 방법을 제시하였으며 발광다이오드 내부의 열 특성을 평가하기 위한 회로 모델링 기법을 소개하였다. 첫 번째로 전류 밀집 현상과 ESD충격에 취약한 부분의 상관 관계를 파악하기 위해 발광다이오드 구조를 3차원 회로 모델링 하였고 순방향 또는 역방향으로 전압을 인가하여 회로 해석하였다. 회로 해석한 결과들을 통해 다중양자우물(multi quantum well, MQW)층 양단의 전압 분포와 그 차이를 계산하였다. 계산된 전압 차 분포로부터 순방향 전압 인가 시는 전류 밀집 현상과 연관이 있고, 역방향 전압 인가 시는 ESD 충격에 취약한 부분과 연관이 있음을 확인하였다. 또한 두 경우의 전압 차 분포가 유사한 경향을 보임을 확인하였고 이를 바탕으로 균일한 발광 분포를 갖는 발광다이오드 구조가 ESD충격에 대한 특성에 이점이 있음을 확인하였다. 두 번째로 균일한 발광 분포를 갖는 전극 패턴 설계를 위해 사파이어 기판 위에 성장시킨 수평형 발광다이오드를 연구하였다. TME(transparent metal electrode)층과 n-GaN층의 면 저항 성분 비율에 따라 달라지는 전류 밀집 현상을 분석하였고 그 원인을 설명하였다. 수평형 발광다이오드에 대한 3차원 회로 모의 실험을 실시하였으며 이 결과를 바탕으로 TME층과 n-GaN층의 면 저항 비율을 고려한 전극 패턴 설계 방법을 제시하였다. 제시한 방법을 통해 전극 패턴을 설계하였고 발광다이오드를 제작하였다. 제작된 발광다이오드를 CCD 카메라로 측정하여 균일한 발광 분포를 확인하였다. 마지막으로 발광다이오드 내부에서 발생하는 열에 대한 회로 해석 기법을 이론적으로 설명하였다. 열 해석을 위한 3차원 회로 모델링에 필요한 파라미터들과 그 방법을 제시하였다. 제시한 방법을 사용하여 회로 해석을 실기하였고 내부 및 표면의 온도분포를 계산하였다. 계산된 온도 분포를 적외선 카메라에서 관측된 표면 온도분포와 비교하였으며 그 경향이 일치함을 확인하였다