아름다운 빛을 통해 세상을 밝혀주는 LED 관련하여 공부해 보도록 하겠습니다.
LED란?
- LED(Light Emitting Diode)란 철자 그대로 빛을 방출하는 반도체 소자(PN 접합 다이오드)입니다.
- 백열등에 비해 약 20배 높은 효율, 형광등에 비해 약 5배 높은 효율과 낮은 전력 소비 감소가 큰 장점으로 현재 상용화되어 있는 빛을 내는 소자입니다.
발광 메커니즘
발광 메커니즘은 크게 3가지로 나뉩니다.
- Cathodoluminescence (CL) : 전자가 형광체 등의 luminescent 물질과 충돌하여 빛을 방출합니다.
- 전자총으로 형광체를 때려 광을 내는 브라운관이 대표적인 예시이죠.
- Photoluminescence (PL) : 빛(Photon)을 흡수한 가전자대의 전자가 전도대로 여기, 다시 안정화되며 빛을 방출합니다.
- Electroluminescence (EL) : 전기(Electric)를 흡수한 가전자대의 전자가 전도대로 여기, 다시 안정화되며 빛을 방출합니다. LED는 위 EL Mechanism을 이용하여 발광합니다.
EL 역사
1907년 H. J. Round가 SiC에 전기주입 시 빛이 나오는 것을 확인하여 최초로 EL 현상을 학계에 보고하였습니다.
* 해당 소자의 Mechanism, 즉 LED의 첫 소자는 PN-junction diode가 아닌 Metal-semiconductor Schottky Diode로서 빛을 방출하였습니다.
* 강한 순방향 바이어스(10~110V) 하에서 tunneling 효과로 인해 Metal의 소수캐리어 정공이 n형 반도체로 주입(Carrier injection)되어 재결합을 통해 광이 방출되었습니다.
LED 작동 Mechanism
- 순방향 전압을 가해주면 n형 반도체의 전자가 p형 반도체의 정공과 결합하면서 이종 접합 소재의 Energy bandgap에 해당되는 에너지만큼 발광 재결합하여 빛이 방출하게 됩니다.
- 쉽게 말해, 전기 에너지를 빛 에너지로 바꿔주는 소자를 LED라고 합니다.
반도체 전공자면 알아야 할 부분
- LED는 빛을 추출해야 하기 때문에 일반 다이오드와 달리 n형 및 p형 전극을 반도체 전면에 증착할 수 없습니다.
이유 : 전극으로 사용되는 금속은 불투명하여 전극을 앞 뒤로 다 감싸면 소량의 빛이 옆으로만 나오기 때문입니다.
반론 : 옆으로 금속을 증착하면 되지 않냐? → 전면적 발광 문제뿐 아니라, Au 금속선이 20~30 마이크로미터 정도로 매우 두꺼워 불가능합니다. - 주로 사파이어 기판을 사용하고, MESA 구조를 형성합니다.
- 사파이어 기판과 GaN의 lattice mismatch는 15%으로 커 결정학적으로 안 좋지만, 궁합이 잘 맞아 고품질 GaN 박막을 성장시킬 수 있습니다. 매우 비싼 GaN 기판을 매우 저가의 사파이어 기판으로 대처함으로써 LED 상용화가 시작되었습니다.
- LED의 소자는 친환경적이지만, 박막을 성장하는 gas source는 Toxic 합니다.
LED History
발광 효율의 향상에 따라 LED 역사를 나열하였습니다.
도핑 → Double Heterostructure (이중 이종구조, A/B/A) → 사성분계로 변함에 따라 발광 효율이 크게 향상되었습니다.
1) GaAsP Red LED
→ 전구 밝기의 1/10 정도로, 실용성이 좋지 않았습니다. 지금과 달리 밖에서 보이지 않을 정도였죠.
2-1) GaP:Zn,O Red LED (: → 도핑 의미)
→ GaP는 간접천이형 반도체로, 빛과 열을 내어 작동 과정에서 소자 degradation이 일어나 LED로 적합한 소재가 아니나 Doping을 하여 직접천이형으로 바꿀 뿐 아니라, 색깔 제어(Green)까지도 가능하였습니다.
해당 이론은 재미있으니 양자역학 쪽으로 접근하면 다음과 같습니다.
- 도핑 농도가 ppm 단위로 Real space에선 매우 작은 △x 값을 가진 localized 도핑준위를 갖습니다.
- 하이젠버그 불확실성 원리( Δx Δp ≥ ℏ / 2 )로 인해 △p가 무한대로 가고, △p = ℏΔk 이론을 통해 k가 무한대로 갑니다.
- 즉, 다시 말해 momentum space에서 불순물 준위가 무한대인 delocalized 준위를 가지게 됩니다. 따라서 불순물이 존재할 시, 해당 부분에서 전자가 천이될 때 운동량이 없어 열을 발생하지 않는 직접천이형 반도체가 되는 이론입니다.
- 응용하자면 Impurity to impurity emission or Band to impurity emission임을 알 수 있습니다.
2-2) GaAsP:N Red, Yellow LED
2-3) GaP:N Green LED (등전자 도핑, isoelectronic doping)
→ 도핑으로 광 효율이 3배 이상 증가하였습니다. 다만, 도핑으로 인한 결함 발생으로 인해 효율 한계는 있었습니다.
3) AlGaAs(>10%)/AlGaAs(<10%)/AlGaAs(>10%)/GaP 기판 Red LED (이종 접합 DH 구조)
→ DH 구조로 광 효율이 10배 이상 증가하였습니다.
→ GaAs 기판의 에너지 밴드갭이 1.4eV로 낮아 AlGaAs 활성층에서 생성된 빛 흡수를 하여 추출이 되지 않아 GaAs의 family인 GaP 기판 (2.2eV)을 사용하여 개선하였습니다.
4-1) AlGaInP/Ga0.5In0.5P/GaAs substrate Red, Orange LED (사성분계 구조)
- Ga0.5In0.5P → GaAs 격자 상수 일치, 650nm 빨간빛 추출 가능한 효율 좋은 소재를 개발하였습니다.
- (AlxGa1-x)0.5In0.5P 등 Al를 첨가하여 단파장으로 이동하는 연구 또한 진행되었습니다.
→ 사성분계 도입으로 발광 효율이 보다 더 증가하였습니다.
추가적으로 전류퍼짐층, 높은 발광 효율을 위해 다중양자우물구조, 높은 광 추출 구조를 위해 분사 브래그 반사경, Verticle LED 기술 등을 통해 현재 RED led가 나왔습니다.
AlGaInP 한계
위 사성분계 등은 '파란색 빛'을 내기 어렵다는 큰 한계가 있었습니다.
(AlxGa1-x)0.5In0.5P 구조에서 단 파장을 위해 Al의 조성을 0.53 이상 높일 경우 간접천이형 반도체로 바뀝니다. 즉, 570nm 이하의 파장의 빛을 내기 어렵습니다.
위를 해결하기 위해 질화물 반도체 계열의 GaN, GaInN 등으로 파란색 빛을 내는 소재가 연구되었습니다.
질화물 반도체 관련하여 하부 포스트를 참고하시기 바랍니다.
2024.09.18 - [반도체 공학/LED 공학] - LED 소재, 질화물 반도체, 조성 조절 with Vegard's law
LED 소재, 질화물 반도체, 조성 조절 with Vegard's law
LED 소재 연구광 반도체는 주로 Ⅲ-N, Ⅲ-Ⅴ족 직접천이형 화합물 반도체를 사용하여 제작합니다.Silicon 같은 Ⅳ 족 반도체는 간접천이형으로 빛을 냄과 동시에 열 발생으로 소자 degradation이 되기
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LED 연구 방향
낮은 전력으로 강한 빛을 낼 수 있는 LED를 만들고자 연구가 진행됩니다. (고출력 + 고효율)
어렵게 말해 1. 내부양자효율 (Internal Quantum efficiency) 증대 및 2. 추출 효율 증대 구조 설계에 대한 연구가 진행되고 있습니다.
1. 내부양자효율
1-1 내부양자효율(IQE)
- 내부양자효율은 "I = Q/t"로 표현됨.
(t : 단위시간당 LED 속으로 들어간 전자 수, Q : 단위시간당 활성층에서 나온 photon의 개수) - 관련 내용은 차후 포스팅에서 서술하도록 하겠습니다.
1-2 내부양자효율 증대 기술
- 1960년대 LED는 상온에서 약 1%의 내부양자효율을 가졌지만, 현재 상온에서 90% 이상의 내부양자효율을 가짐.
- 양자우물구조 (Multi-quantum well) : 수 십 층의 박막을 쌓아 내부 양자 효율 증대
- 박막 결정성 향상
- 박막 결함과 불순물의 농도 감소
2. 추출 효율 증대 구조 설계
2-1 LED 추출 문제
- 전자/정공은 대부분 기판의 낮은 효율에 의한 비발광 재결합이 발생합니다.
- 방출된 빛이 활성층에 다시 들어갈 시, 소재 내 조성적 요동 (ex: 2.8eV 시 2.81eV or 2.79eV 빛 )으로 인해 반 정도는 재흡수가 일어나 LED의 효율을 감소시킵니다.
- 반도체는 아주 낮은 흡수 계수를 가짐에도 불구하고, 밴드갭 이하를 흡수할 수 있습니다.
- Urbach tail 현상 : 삼성분계, 사성분계 합금 반도체의 화학적 조성 또는 불균일한 도펀트 분포와 같은 potential fluctuation과 phonon-assisted transition에 의해 빛 추출이 안되는 문제.
예시 : InGaN의 In 조성 증가 시 뭉침 현상 발생하여 조성적 요동 발생 - 열 증가 --> 에너지 밴드갭 요동
2-2 추출 효율 증대 구조 설계
- 내부 전반사에 의한 빛 소멸 (재흡수) 감소시키는 구조
- 반도체 내부에 갇힌 빛은 기판, 활성층, 덮개층 및 금속 전극에 의해 재흡수됨. --> DBR을 사용하여 기판에 흡수하지 않고 위로 추출
- 구조 설계 (Double Heterojunction)
* 활성층이 고 전류 밀도로 주입되는 경우, 전자와 정공의 quasi-Fermi level은 축퇴되어 실제 활성층 bandgap이 구속층 bandgap보다 커져서 정상 거동을 못 할 수도 있습니다.
따라서 축퇴를 고려한 구속층 bandgap을 설계하는 것이 필수입니다.
- LED dies 모양 설계
기존 육면체의 박막의 경우, 굴절률 3.3을 갖는 경우 내부 전반사 임계각은 약 17도 매우 낮습니다.
다시 말해 갇힌 광의 대부분은 두꺼운 기판에 흡수되어 생성된 빛이 자유공간으로 방출할 수 없는 부분이 많습니다.
Die의 모양을 바꿈으로써 light extraction efficiency를 증가시킬 수 있으나, 단가 면에서 증가하며, 신뢰성 문제도 발생합니다.
신뢰도 문제 발생이란 다음과 같습니다.
GaN 기판 : 습식 식각 X → 높은 E 이용 식각 필수 → 표면 결함 증가 → 표면 Deep 준위 형성 → 표면 비발광 재결합 → 열 발생 → 열 흡수 → Catastropic optical Damage (COD) 발생 → LED 파괴 (신뢰성 문제 발생)
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