균일한 전류 분포를 위한 발광다이오드의 전극패턴 설계방법

Abstract

In this paper, we investigate the influence of electrode pattern in view of current distribution in all epitaxial layers of GaN/InGaN blue LEDs (light emitting diodes). Also, we report the lab-made simulation software which is named DOSA (Designer for Optoelectronic System Analysis) which simu-late the three dimensional electrical property of LED and evaluate its per-formance. First, we developed an application that convert characteristics of LEDs into three-dimension equivalent circuit and its I-V curve, current, voltage and power distribution of each epitaxial layer at detailed locations were analyzed. We made a computer program by using Visual Studio 2008 MFC to adopt GUI (Graphic User Interface) which allows to input both structural and material parameters, and also electrode pattern information effortlessly. In order to evaluate the similarity between experimental results and simula-tion results, we compared measured light intensity distributions on surface of fabricated LEDs with current density value that was acquired by simula-tion for all points of active layer. The results showed an good agreement with distribution pattern. In addition, we compared the frequently damaged locations due to ESD (electrostatic discharge) test with points of high cur-rent density analyzed by DOSA. As a result, we found that the defect loca-tions were closely related to the points of high current density. Second, we determined methods to spread current to all epitaxial layers by designing appropriate n-electrode pattern on GaN/InGaN blue lateral LED. We developed a method to spread current theoretically and applied it to DOSA. Simulations were performed in order to analyze current density value in TME (transparent metal electrode), n-GaN, and active layer for three samples of LEDs that have different n-electrode pattern each other. Consequently, the results showed that the shape of n-electrode pattern surrounding p-electrode and one to one correspondence of minimum dis-tance between all points of n-electrode and all points of p-electrode are very useful to spread current. Third, the effects of n-electrode patterns to the current spreading in the active region were analyzed for the blue vertical light emitting diode (VLED) with GaN/InGaN multi quantum well (MQW). Several n-electrode patterns of the VLED are designed, analyzed qualitatively, and its effect to current spreading in the active region are investigated. A 3-dimensinal circuit mod-el of which parameters are experimentally extracted from an actual VLED chip is adopted for the quantitative analysis of current spreading. The n-electrode patterns are modeled and simulated by simple electrical circuits in order to find the current distribution and current-voltage characteristics of devices. Based on theoretical analysis results, blue VLEDs with different n-electrode patterns were fabricated and a series of measurements were car-ried out. Analytic and experimental results for different n-electrode pattern showed quite similar tendencies. Finally, we proposed some design me-thodologies for improved current spreading.; 본 논문에서는 GaN/InGaN 청색 수직형과 수평형 발광다이오드(Blue Light Emitting Diode)에서 에피층 전체에 전류확산 효과를 주는 전극패턴 설계방법을 연구하였다. 또한 발광다이오드의 전기적 특성을 삼차원으로 해석하는 GUI(Graphic User Interface)기반의 시뮬레이터를 제작하고 그 성능을 평가하였다. 첫 번째로 발광다이오드를 삼차원의 전기 회로로 모델링하여 해석하고, 각 에피층에서의 전류, 전압, 파워분포 및 전류-전압 곡선을 사용자가 원하는 단면에서 관찰 할 수 있는 시뮬레이터인 DO-SA(Designer for Optoelectronic System Analysis)를 개발하였다. 프로그램은 Visual Studio 2008 MFC를 이용하여 개발되었으며, 발광다이오드의 구조 및 물질파라미터 그리고 전극패턴 정보를 GUI(Graphic User Interface)기반으로 입력할 수 있도록 하였다. 도사의 성능평가를 위하여 임의의 발광다이오드에서 활성층으로 주입되는 전류분포에 대한 분석결과와 실험실에서 측정된 광분포도를 비교하였으며 그 결과는 동일한 양상을 보였다. 또한 발광다이오드의 ESD(Electrostatic Discharge) 시험에서 파열된 부분과 DOSA에서 전류가 밀집하는 부분과의 비교 결과가 일치함을 보였다. 두 번째로 수평형 GaN/InGaN 청색 발광다이오드에서 전극패턴 설계를 통하여 모든 에피층에서 전류를 확산 시킬 수 있는 방법을 이론적으로 분석하여 유도하고, 시뮬레이션을 통하여 증명하였다. 시뮬레이션은 서로 다른 세 개의 전극 패턴에 대하여 TME(Transparent Metal Electrode), n-GaN 그리고 활성층(Active Layer)에서의 수직 또는 수평 성분의 전류 분포를 분석하기 위하여 실행 되었다. 분석 결과는 n-electrode가 p-electrode를 감싸는 형상을 하고, n-electrode 각 점과 p-electrode 각 점 사이의 최단거리 길이가 서로 1:1로 대응에 가까울수록 우수한 전류확산 효과를 보였다. 세 번째로 수직형 GaN/InGaN 청색 발광다이오드의 전류밀집 현상을 이론적으로 분석하고, 전극패턴을 변화시키며 활성층에서의 전류분포도 변화 양상을 관찰하였다. 서로 다른 네 개의 전극패턴에 대하여 활성층으로 주입되는 전류 분포 및 전류-전압 특성을 분석하고 이를 바탕으로 전류확산을 위한 전극패턴 설계 방법을 유도하였다. 분석에 이용된 네 개의 전극패턴을 칩으로 제작하여 광출력파워와 운용 전압에 대하여 측정하고 분석 결과와 비교하였다. 그 결과는 서로 동일한 양상을 보였으며, 결과들을 종합하여 수직형 GaN/InGaN 청색 발광다이오드의 전류확산을 위한 전극패턴 설계 방법을 정리하였다.