1. 3-5족 Compound Semiconductor LED, LED에서 질화물 반도체를 쓰는 이유와 한계점

이번 포스팅에서는 3-5족 Compound Semiconductor LED에 대해서 설명해 드리겠습니다. 

 

저번 Intro 시간에서 재결합 시 Energy Bandgap에 해당되는 에너지의 빛이 방출된다는 사실을 알았습니다. 

소재의 조성을 조절하여 Energy Bandgap을 바꿔 원하는 색깔의 빛을 내는 소자를 얻을 수 있습니다.

식은 다음과 같습니다. 

Si LED?

1.12eV의 Si 소재를 PN junction을 통해 Diode를 만들면 1107nm의 적외선 빛이 방출됩니다

하지만 Si과 같은 4족 소재들은 파수가 다른 Indirect Bandgap이기 때문에 열 또한 발생하여 수명이 급격하게 줄게 됩니다.

Indirect Bandgap 특성을 가진 4족 소재는 LED로 사용할 수 없습니다. 

 

Compound Semiconductor LED

따라서, Direct Bandgap 특성을 가진 3-5족, 2-6족 소재로 LED를 만들게 되었습니다. 

S계열, P계열, As계열, N계열을 통해 LED를 만들게 되었는데요, 

S계열은 에너지 밴드갭이 커 적색 계열의 LED를 만들지 못하였습니다.

P계열, As계열은 에너지 밴드갭이 작아 청색 계열의 LED를 만들지 못하였습니다.

 

따라서, 모든 빛의 색깔을 낼 수 있는, 에너지 범위가 매우 큰 N based LED를 채택하여 연구가 진행되었습니다. 

(이후, 모든 LED 카테고리 포스팅에서 N based LED를 기준으로 설명해 드리겠습니다. )

 

6.2eV의 AlN 소재를 PN junction을 통해 Diode를 만들면 200nm의 자외선 빛이 방출됩니다.

3.4eV의 GaN 소재를 PN junction을 통해 Diode를 만들면 363nm의 자외선 빛이 방출됩니다.

0.6eV의 InN 소재를 PN junction을 통해 Diode를 만들면 2066nm의 적외선 빛이 방출됩니다

 

 

이 소재들을 적당히 조합하여 모든 색깔의 빛을 낼 수 있습니다. 

GaN과 InN을 조합하여 363nm ~ 2066nm의 빛을 낼 수 있습니다.

AlN과 InN을 조합하여 210nm ~ 2066nm의 빛을 낼 수 있습니다.

AlN과 GaN을 조합하여 210nm ~ 363nm의 빛을 낼 수 있습니다.

 

Vegard's law를 통해 원하는 파장의 빛을 가진 Compound semiconductor의 조성을 계산할 수 있습니다.

아래 포스팅에서 2.75eV의 파란색 빛 에너지를 내는 InGaN의 조성을 구하는 방법이 적혀 있습니다. 

 

2023.01.06 - [반도체 8대 공정/반도체 분석장비] - 반도체 분석장비) EL 장비 (광학적 특성 측정 방식)

반도체 분석장비) EL 장비 (광학적 특성 측정 방식)

출처 : https://www.researchgate.net/figure/Band-gap-energy-in-the-function-of-lattice-constant-III-nitrides-at-RT-8_fig1_283068095

제가 앞서, 범위가 매우 큰 N based LED를 채택하여 연구가 진행되었다고 말씀을 드렸습니다.

사실 옛날에는 질화물 반도체를 만들기 조차도 어려웠습니다. 

이유는 다음과 같습니다.

- Lattice constant가 작을수록 결합력이 세기 때문입니다. 그래프를 보시면, 질화물 반도체는 lattice constant가 매우 작아 결합력이 상당이 큽니다.

 

- 격자가 일치하는 기판이 없으며, p형 도핑이 불가능하다는 단점이 있었습니다. 즉, 동종 접합이 불가능했었지요.

동종 접합이 불가능할 시, lattice mismatch로 인해 결합 계면에서 defect가 발생해 원하지 않은 색깔의 빛 또한 나오고, 열 또한 발생하여 좋지 않은 LED가 만들어지죠. 

하지만 Post annealing process 방법을 통해 Mg 억셉터의 easy activation이 되어 GaN 소재에 p형 도핑이 가능해졌습니다.

N계열 소재와 격자 상수 차이는 크게 나지만 높은 효율을 내는 사파이어 기판을 통해 동종 LED를 성장할 수 있었습니다.

 

이러한 발전을 거듭하고 거듭하여, 오늘날 효율 좋은 질화물 반도체 LED가 탄생하였습니다.