1. 서론
지난 수십 년간 발광 다이오드 (Light-emitting devices, LEDs)는 신호등, 전광판, 자동차용 램프 등의 분야에서 광원으로서 다양하게 사용되고 있으며, 일반 백색 광원으로도 널리 사용되어 왔다.[1,2] 특히 밝기가 밝고 이전의 광원보다 크기가 작으며, 수명이 길지만 에너지 소비가 낮다는 장점을 가지고 있어 다양한 응용분야에서 널리 사용되고 있다.[3–5] 가시광선 영역에서의 LED는 일반적으로 3-5족 화합물 반도체 중에서 Nitride 반도체와 Phosphide 반도체가 주로 사용되며, 자외선에서 녹색 파장 영역, 녹색에서 적색 파장 영역까지의 LED 는 각각 GaxIn1–xN 및 (AlxGa1–x)0.5In0.5P로 제작된다.[6–8] 적외선 (Infra-red, IR) 스펙트럼 영역에서 작동하는 LED는 일반적으로 III-arsenide (GaxIn1-xAs)을 이용하여 제작된다.[6] 다만, 녹색 LED는 III-nitride 과 III-phosphide을 사용해 제작할 수 있지만, 청색 LED와 적색 LED에 비해 외부 양자 효율 (External quantum efficiency, EQE)가 매우 낮아 이를 개선하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.[9,10]
최근 제작된 LED의 재료에 관계없이 각각의 LED는 구조적으로 유사한 점을 가지고 있다. 첫 번째는 양자우물 (Quantum wells, QWs) 구조가 p형 및 n형 Cladding layer 사이의 활성층으로 사용되어 방사형 재결합 확률을 높인다는 것이다. 일반적인 반도체보다 QWs 구조에서는 전자와 정공이 좁은 공간에 갇혀 재결합할 확률이 높아지므로 방사형 재결합이 더 효율적으로 이루어 질 수 있다. 두 번째는 QWs 구조 내의 원자 구성비율을 조정하거나, QWs 구조 자체의 두께 조정을 통해 방출 파장을 조절할 수 있다. 세번째는 굴절률이 높은 LED 내부에 빛이 갇히는 현상이 생긴다는 것이다. 고굴절률 LED의 활성층에서 방출된 빛은 스넬의 법칙에 의해서 전반사의 임계각이 매우 작으므로 방출된 빛이 소자 내부에 갇혀 소멸하게 된다. 따라서 굴절률이 커질수록 자유 공간으로 빛이 탈출할 확률은 크게 제한되게 된다.[6,11,12]
반면에, 재료에 따른 차이점도 존재한다. 첫 번째 차이점은 기판과 박막의 격자 상수가 일치하는가 일치하지 않는가에 따라 발생한다. III-phosphide 및 III-arsenide 계열 LED는 GaAs 기판과 같이 주로 박막과 서로 격자 상수가 일치하며, 액상 또는 기상 증착을 통해 성장하여 제작된다. 한편 III-nitride LED는 주로 사파이어나 Si 기판과 같이 기판과 박막과의 격자 상수가 일치하지 않는 기판에서 금속 유기화학 기상 증착 (Metal organic vaper phase epitaxy, MOVPE)을 통해 성장하기 때문에 위의 두 물질과 다르게 전위 밀도 및 상 분리 특성에 차이가 발생하게 된다. 만약 격자가 일치하지 않는 상태에서 결정이 성장된다면 그 과정에서 발생하는 전위 (Dislocation)가 더 크게 나타나고, 이는 더 높은 전위 밀도를 만들어낸다. 높은 전위밀도는 비방사형 재결합을 증가시키는 원인으로 작용하여 발광 효율을 낮추게 된다. 또한 전자의 이동도를 감소시켜 전기적인 특성을 악화시킨다. 상 분리가 발생하여 발광 면적을 줄여 발광 효율을 낮추게 된다. 두 번째는 결정 구조의 차이점이다. III-nitride 계열 LED는 주로 Wurtzite 구조를 가지며, III-phosphide 및 III-arsenide 계열 LED는 주로 Zinc-blende 구조를 가진다. Wurtzite 구조는 압전 효과를 만들어 전기장을 발생시키고 이는 Piezoelectric field라고 한다. 이 전기장에 의해 발광 재결합 특성이 변할 수 있다. 세 번째는 QWs의 개수 및 두께 차이로 인한 전하 운반 특성의 차이이다. III-phosphide 및 III-arsenide 계열의 LED는 III-nitride LED에 비해 전하의 이동도가 크기 때문에 더 많고 두꺼운 QWs을 활성층으로 사용할 수 있고 전자 밀도 또한 더 크다.[6,13,14]
이러한 차이는 각 LED에서 구동 전류의 증가에 따른 효율 저하와 온도가 상승했을 때 EQE가 감소하는 열적 저하와 같은 문제를 발생시킨다.[15,16] 두 가지 저하 현상은 LED 장치의 성능과 관련된 중요한 요인이며,[16,17] 그 중에서 LED 특성을 온도 의존적으로 연구하면 구조적 차이와 계면 효과를 고려하지 않으면서 LED 의 작동 메커니즘에 대해 파악하기 용이하다.[18,19] 이때 EQE는 내부 양자 효율 (Internal quantum efficiency, IQE) 및 빛 추출 효율 (Light-extraction efficiency, LEE) 요소로 분리될 수 있다. 따라서 온도에 따른 LED의 EQE를 측정하고 이를 IQE와 LEE로 구분하면 효율을 감소시키는 원인을 분석할 수 있다.
이 연구에서는 EQE를 넓은 온도 범위에서 IQE와 LEE로 구분하여 기본적인 물리적 동작 메커니즘을 조사하고 분석하였다. 이를 위해 서로 다른 재료 시스템과 파장을 가진 세 가지 LED 샘플을 사용했다. 세 가지 LED의 측정 결과를 바탕으로 구동 전류와 작동 온도에 따라 EQE에 영향을 미치는 주요 요인인 효율 저하 및 열적 저하에 대해 알아보고자 한다.
2. 샘플 준비 및 실험 세부 사항
본 연구에서는 상업용으로 제작된 세 가지 LED를 사용했다. 모든 LED 칩의 크기는 300×300 μ m²이며, 에폭시 돔이 있는 표면 실장형 장치 (Surface-mounted device)로 패키징되었다. 이는 각각 III-nitride 계열 GaInN 기반∼450 nm 청색 방출 LED sample, III-phosphide 계열 AlGaInP 기반∼630 nm 적색 방출 LED, III-arsenide 계열 GaAs 기반∼870 nm 적외선 방출 LED이다. 이들은 각각 청색 LED, 적색 LED, 적외선 LED로 나타냈다.
또한 다음 세 가지 LED는 구조적인 차이가 있다. 청색 LED는 Ga0.85 In0.15 N/GaN QWs 5쌍 및 측면형 전극을 가지고 있으며, 적색 LED는 (Al0.7 Ga0.3)In0.5 P/Ga0.47 In0.53 PQWs 30쌍 및 수직형 전극, 마지막으로 IRLED는 GaAs/Al0.3 Ga0.7 AsQWs 10쌍 및 수직형 전극을 가진다. 이 세 가지의 LED는 모두 상업적으로 이용 가능한 최신의 LED이며, LED 샘플의 단면 구조는 Fig. 1(a-c)에 개략적으로 표현되어 있다.
Fig. 1.
LED sample structures of (a) GaInN-based∼450nm blue-emitting device, (b) AlGaInP-based∼630nm red-emitting device, and (c) GaAs-based∼870nm IR-emitting device, respectively.
LED의 광 출력은 보정된 실리콘 포토다이오드 (Hamamatsu Photonics, S2281)를 사용해 측정되었으며, 전계발광 (Electroluminescence, EL) 스펙트럼과 구동 전류에 대한 전압 곡선은 각각 분광기 (Avantes, AvaSpec-U LS2048)와 반도체 분석기 (Keithley, Sourcemeter 2602 B)를 사용해 측정했다. 모든 실험은 30 K부터 500 K 범위의 온도를 유지하고 제어할 수 있는 Closed-cycle cryostat (Advanced Research System, DMX-1AL)를 사용하여 실험을 진행했다. 또한, Self-heating effect를 방지하기 위해 Pulse period는 100 μs, duty cycle 1%로 LED를 동작 시켜 실험을 진행하였다.
3. 실험 결과 및 토의
3.1 LED의 전압-전류 특성
Fig. 2(a, b)는 각각 세 가지 LED의 상온에서의 광학적, 전기적 특성을 나타낸다. Fig. 2(a) 그래프는 각각 20 mA의 구동 전류에서의 정규화된 전계발광 (EL) 스펙트럼이며, Fig. 2 (b)는 인가 전압 대 구동 전류 곡선이다. 세 LED의 peak 파장은 각각 약 450 nm (∼2.76 eV), 648 nm (∼1.91 eV), 및 870 nm (∼1.43 eV)로 나타난다. 20 mA에서의 동작 전압은 광자 에너지에 선형적으로 비례하게 나타났고, 각각 약 2.85 V, 1.92 V, 및 1.41 V이다.
Fig. 2.
(a) Experimental results of the normalized EL spectra measured at 20 mA and (b) applied voltage versus driving current (V-I) curve of three LEDs at 300 K under investigation in this study. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
Fig. 3은 EQE를 구동 전류를 변화시켜가며 측정한 결과를 정규화한 곡선을 나타낸다. 다음 Fig. 3의 실험 결과에서 세 가지 LED의 구동 전류에 따른 EQE 특성이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 적외선 LED의 경우에는 구동 전류의 증가에 따라 EQE가 거의 일정하게 유지되었다. 한편 청색 및 적색 LED에서는 구동 전류가 증가함에 따라 EQE가 점진적으로 감소하는 efficiency droop 현상이 관찰되었다. 특히 청색 LED에서의 efficiency droop이 적색 LED에서 보다 심하게 나타났으며, EQE peak가 나타나는 구동 전류의 값이 더 작게 나타났다. 적색 LED 또한 efficiency droop이 발생하였지만, 적외선 LED는 동일한 조건에서도 발생하지 않았다. 실험에 사용된 적색 LED가 적외선 LED보다 더 많은 수의 QWs을 활성층으로 사용함에도 불구하고 이러한 차이가 발생하였다. 적색 LED는 AlGaInP 기반으로 제작되고 적외선 LED는 GaAs 기반으로 제작되기 때문에 결정이 성장하는 과정에서 격자가 일치하지 않아 생기는 결함 문제는 적색 LED에서 더 크게 발생한다. Fig. 1과 2에서 나타나는 결과는 GaInN, AlGaInP, GaAs 기반의 LED에서 나타나는 전형적인 전기적 광학적 특징을 보여준다.[13–16,19–21]
Fig. 3.
Normalized EQEs vs. driving curves for the three LEDs under investigation in this study at 300 K. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
Fig. 4(a-c)는 각각 청색, 적색, 적외선 LED에 대한 EQE를 30 K부터 500 K까지의 온도 범위에서 구동 전류를 변화시켜가며 측정한 결과이다. 그래프는 semi-log scale로 그려졌다. 각각의 그래프는 LED의 300 K에서 EQE peak 값으로 정규화 되었으며, 모든 LED에서 온도가 증가함에 따라 EQE peak 값이 감소했다. 다만 각 LED에서 온도 변화에 따른 EQE 곡선의 움직임은 다르게 나타났다. 먼저 청색 LED는 EQE가 저온에서는 U자형 특성을 보였다. 이는 질화물계 반도체의 동작 온도가 낮아질수록 캐리어의 이동도 또한 감소하게 되는데, 정공의 이동도의 감소가 전자의 이동도 감소에 비해 크게 나타난다. 재결합을 하기 위해 이동하는 전자의 이동 거리에 비해 정공의 이동거리가 짧아져 다음과 같은 특성을 보이게 된다.[19,22] 청색 LED에서 온도 상승으로 인한 열적 효율 저하는 500 K에서의 EQE peak 값이 30 K에서의 약 55% 수준으로 나타났다. 적색 LED는 온도가 변화에 따라 EQE의 변화가 크게 나타났다. 500 K에서의 EQE peak 값이 30 K에서의 약 4% 정도였다. 적외선 LED는 efficiency droop이 온도가 낮아질수록 약해졌지만, 500 K에서의 EQE peak 값은 30 K에서의 약 15% 수준으로 청색 LED에 비해서는 온도 증가에 따른 EQE 감소가 작고 적색 LED에 비해서는 크게 나타났다.
Fig. 4.
Experimental results of temperature-dependent EQEs from 30 K to 500 K plotted as function of driving current in semi-log scale for (a) blue LED, (b) red LED, and (c) IR LED, respectively. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
세 가지 LED 모두 구동 전류가 증가하면서 발생하는 efficiency droop과 동작 온도가 상승했을 때 생기는 열적 효율 저하가 공통적으로 나타났다. LED의 구동 전류가 증가하면 Auger 재결합과 Shockley-Read-Hall (SRH) 재결합과 같은 비방사형 재결합의 비율이 커지기 때문에 효율 저하가 발생된다고 설명해왔다. 일반적으로 GaInN 기반 LED에서 효율 저하가 다른 재료를 기반으로 하는 LED보다 더 심각한 이유는 고전류가 주입되었을 때 압전 전하로 인한 Carrier overflow 또는 Auger 재결합의 증가가 더 크게 발생하기 때문이다.[13,20] 또한 AlGaInP 기반 적색 LED의 열적 효율 저하가 AlGaAs 기반 적외선 LED보다 더 큰 이유는 AlGaInP가 AlGaAs 에 비해 상대적으로 열전도율이 낮아 열이 외부로 배출되기 어렵기 때문에 온도에 의한 영향이 더 크게 나타나고, 앞서 설명한 것과 같이 내부 결함의 농도가 높아 온도가 증가함에 따라 결함들이 활성화되는 비율이 커지기 때문이다.[21]
3.2 외부 양자 효율을 이용한 내부 양자 효율 및 캐리어 주입 효율 분석
IQE는 실험 측정만으로 얻을 수 없는 효율 요소이다. IQE를 구하기 위해 지금까지 수치 시뮬레이션, I– V 곡선 분석, 시간 분해 측정, 임피던스 측정 등의 여러 방법이 제안되어 왔다.[22–27] 본 연구에서는 세 가지 LED에 대해 보편적으로 적용 가능한 EQE 대 전류 곡선 분석 (ABC 모델)을 사용하여 IQE를 추정하였다.[28,29] IQE 는 캐리어 주입 효율 (Injection efficiency, IE)과 방사성 효율 (Radiative efficiency, RE)의 곱 또는 총 캐리어 재결합율에 대한 방사형 재결합율의 비율로 정의되고 다음과 같이 표현할 수 있다.
따라서 IQE는 다음과 같은 비율 방정식 (ABC model)으로 표현할 수 있다.
여기서 A, B, C는 각각 SRH 비방사성 재결합, 이분자 방사성 재결합 및 Auger 비방사성 재결합을 나타내는 계수이다. ηIE 는 캐리어 주입 효율, ηRE는 방사성 효율이며 N은 QWs 내 캐리어 밀도를 나타낸다.[28] 일반적으로, IQE peak 값 이하의 전류 범위 (I < Ipeak)에서 η 는 약 100%로 간주된다.[29] IE ηIE 는 LED로 주입된 전자 중에서 활성 영역에 주입된 전자의 비율을 의미하는데, peak 이전의 범위에서는 대부분의 전자가 활성 영역으로 주입되고 있다고 본다. 또한 IQE peak (ηpeak)와 이에 해당하는 구동 전류 (Ipeak)는 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 k는 상수이다. 위의 방법들을 통해,[29,30] 실험 EQE 대 전류 곡선을 위 방정식 (2-4)을 사용해 I < Ipeak구간에서 fitting 하여 IQE 대 전류 곡선을 추정하였다.
Fig. 5은 300 K에서 세 가지 LED의 IQE 대 전류 곡선을 나타낸 것이다. 적외선 LED는 전체 전류 범위에서 측정값과 점선의 피팅 곡선이 잘 일치하는 반면, 청색 및 적색 LED는 peak I이후에서 측정값과 점선으로 표현된 피팅 곡선 간의 차이가 발생했다. 이 차이는 구동 전류가 증가함에 따라 ηIE 가 점진적으로 100%에서 감소하기 때문이라고 설명할 수 있다. 이러한 차이를 통해 η 를 추정해 볼 수 있다.
Fig. 5.
IQEs at 300K of the three LEDs under investigation plotted as a function of driving current in linear scale. The dashed lines are the fitting curves for IQEs calculation. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
Fig. 5 데이터를 기반으로, 동일한 피팅 방법을 사용하여 Fig. 4의 온도를 변화시켜가며 측정한 EQE vs. I 곡선을 IQE vs. I 곡선으로 변환하였다. Fig. 6(a-c)는 각각 청색, 적색, 적외선 LED의 온도를 변화시켜가며 측정한 IQE vs. I를 semi-log scale로 나타낸 것이다. 모든 LED에서 극저온(30 K)에서는 IQE peak 값이 100%에 가까워지며, 특히 적외선 LED는 극저온에서는 이상적인 IQE 특성을 보이고 있다. 즉, 구동 전류 전체 범위에서 IQE가 거의 100%를 유지한다고 볼 수 있다.
Fig. 6.
Experimental results of temperature-dependent IQEs from 30K to 500K plotted as function of driving current in semi-log scale for (a) blue LED, (b) red LED, and (c) IR LED, respectively. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
3.3 온도 의존적 LEE 분석
온도 의존적 EQE (Fig. 3)와 IQE (Fig. 5) 그래프의 특성을 통해 EQE 감소에 IQE와 LEE가 얼마나 관여했는가에 대해 비교할 수 있다. 이를 위해 온도에 따른 LEE 그래프와 온도에 따른 IQE 그래프의 형태를 비교하여 분석하고자 한다.
Fig. 7은 온도 변화에 따른 LEE에 대한 그래프를 나타 내고 있다. 여기서 LEE는 동작 온도에 따라 변화하고 동작 전류의 변화에 따라 변화하지 않는 요소로 취급하였다. 다음 그래프는 30 K에서의 LEE로 정규화 되었다. 모든 LED에서 LEE는 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 특히, 적색 및 적외선 LED의 LEE 감소가 청색 LED 보다 훨씬 가파르게 나타났다. 500 K에서의 LEE는 30 K의 약 93% (청색 LED), 8% (적색 LED), 및 20% (적외선 LED) 수준으로 감소하였는데, 이는 LEE가 적색 LED 와 적외선 LED의 열적 저하에 큰 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
Fig. 7.
Temperature-dependent LEEs. For all LEDs, the LEEs decrease with increasing the temperature. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
LEE 감소의 원인은 여러 가지가 있다. 첫 번째는 굴절률 증가에 따른 내부 전반사 (Total internal reflection, TIR) 증가로 볼 수 있다. Table 1은 30 K에서 500 K까지의 온도 범위에서의 GaN, (Al0.7 Ga0.3)0.5 In0.5 P, GaP, and GaAs의 굴절률과 에너지 밴드갭을 요약하여 정리한 것이다.[31–38] 일반적으로 반도체 박막의 굴절률은 온도가 상승할수록 증가하며, 이로 인해 TIR이 증가하여 광 추출이 어려워진다. GaN, AlGaInP 및 GaAs의 굴절률과 온도 변화에 따른 증가율은 각각 다르며, 적색 LED와 적외선 LED의 경우 이 증가율이 더 크다. 때문에 적색 및 적외선 LED에서 높은 온도에서의 LEE 감소가 더 심각하게 나타나게 된다. 두 번째는 온도 상승으로 인한 밴드갭 축소 및 흡수의 증가로 볼 수 있다. 반도체의 밴드갭 에너지는 온도가 상승함에 따라 감소한다. 이로 인해 비방사형 재결합이 증가하며 방출되는 파장 또한 더 긴 파장의 빛 쪽으로 이동하는 Red shift 현상이 발생하기도 한다. 또한, 높은 온도에서는 QWs 내 전자가 높은 에너지 상태에 분포할 확률이 증가하여, 더 많은 광자가 활성층에 재흡수 될 가능성이 커진다. 적색 및 적외선 LED에서 이러한 현상이 더욱 강하게 나타나기 때문에 LEE가 더 많이 감소하는 것으로 설명할 수 있다.[21,35–37] 마지막으로는 높은 온도에서의 전기적 특성 변화 및 전류 밀집 효과이다. 적색 LED와 적외선 LED의 경우, 온도가 상승함에 따라 재료의 저항성이 증가하여 전류 분포가 균일하지 않게 된다. 특히, 수직형 전극을 사용하는 적색 LED와 적외선 LED에서는 전극 아래에 전류가 집중되는 현상이 발생할 가능성이 크다.[39,40] 이는 광자의 재흡수를 증가시켜 LEE를 더욱 감소시키게 된다.[41]
Table 1.
The refractive index (n) and bandgap energy (Eg) of GaN, (Al0.7 Ga0.3)0.5 In0.5 P, GaP, and GaAs from 30 K to 500 K. Reproduced from Park et al. Physica Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
3.4 온도 의존적 IQE 분석
Fig. 8는 저전류 (10 μ A) 및 고전류 (100 mA)에서의 IQE 변화를 나타낸다. Fig. 8(a) 저전류에서의 IQE는 RE만을 반영하며, 높은 온도에서 SRH 비방사성 재결합이 증가하여 IQE가 감소하는 경향을 보인다. 특히 100 K 이상에서 모든 LED에서 IQE가 감소했는데, 이는 온도가 상승함에 따라 비방사성 재결합 중심 (Nonradiative recombination center)이 활성화되기 때문이다.[12,44] 적색 LED와 적외선 LED는 격자 상수가 박막과 기판이 일치한 상태에서 성장했음에도 불구하고 더 많은 NRC를 포함하였다. 반면, GaInN 기반 청색 LED에서는 Metalorganic Vapor Phase Epitaxy MOVPE 성장 과정에서 발생하는 상 분리가 캐리어 포획을 방지하는 효과로 인해 NRC 활성화가 상대적으로 적게 나타났다. Fig. 8 (b) 고전류에서의 IQE는 RE뿐만 아니라 IE도 반영한다. 적외선 LED의 경우 온도 변화에 따른 IE 변화가 거의 없었다. 이를 통해 적외선 LED에서의 IQE 감소는 주로 RE에 기인했다는 것을 알 수 있다. 반면, 청색 LED에서는 온도가 상승할수록 주입 효율이 크게 감소하며, 이는 효율 저하의 주요 원인이 된다. 이는 GaInN/GaN QWs의 압축 응력으로 인해 발생하는 piezoelectric field가 높은 온도와 높은 전류 범위에서 전자 overflow를 증가시켰기 때문이다.
Fig. 8.
Temperature-dependent (a) IQE at 10 μ A, and (b) IQE at 100 mA characteristics for the blue LED, red LED and IR LED, respectively. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
3.5 온도 의존적 RE 및 IE 분석
Fig. 9(a, b)는 각각 100 mA에서의 온도를 변화시키면서 측정한 RE, IE를 나타낸다. RE와 IE는 실험적으로 측정된 EQE 곡선과 Fig. 5에서의 fitting 곡선의 차이로부터 구할 수 있다. Fig. 9(a)에서 모든 LED의 RE은 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 특히 적색 LED의 RE 감소가 더 심각하게 나타났다. 이 또한 SRH 및 Auger 비방사성 재결합이 적색 LED에서 더 큰 영향을 주고 있음을 보여준다.[21,43] Fig. 9 (b)를 통해 Fig. 9(a)와는 달리 IE는 LED별로 서로 다른 온도 의존적인 형태를 보였다. 적외선 LED에서는 온도가 상승해도 주입 효율이 거의 100%로 유지된 반면, 청색 LED에서는 온도가 상승할수록 주입 효율이 급격히 감소하였다. 때문에 이는 blue LED에서의 효율 저하의 핵심 요인 중 하나라고 볼 수 있다. 다른 LED에 비해서 blue LED에 더 큰 영향을 미치는 이유는 재료의 특성 때문이라고 볼 수 있다. 압전 전기장과 전자 overflow 증가로 인해 IE가 감소하는데 blue LED는 wurtzite structure이므로 다른 LED에 비해 더 큰 piez oelectric field를 가지게 된다.[18,45–46] 이로 인해 더 큰 영향을 받게 된다.
Fig. 9.
Temperature-dependent (a) RE and (b) IE characteristics at 100mA for the blue LED, red LED and IR LED, respectively. Reproduced from Park et al. Phys. Status Solidi A 2024;221:2400063, with permission of Wiley.[20]
Blue LED서 압전 전기장에 의한 piezoelectric field 와 그에 따른 전자 overflow 증가는 동작전류변화에 따른 EL spectrum의 변화를 통해서 관찰이 가능하다. Fig. 10(a-c)는 세가지 샘플의 상온에서 동작전류를 상온에서 변화시켜가며 측정한 EL spectrum을 정규화한 그래프이다. 그림에서 볼 수 있듯이, 청색 LED 샘플의 EL spectrum은 전류를 증가시킬수록 짧은 파장 쪽으로 이동하는 청색편이 현상을 관찰할 수 있다. 반면에 적색과 적외선 LED의 EL spectrum은 전류가 증가할수록 장파장으로 이동하는 적색 편이 현상을 관찰할 수 있다. 적색편이는 보통 동작 전류가 증가함에 따라 비발광 재결합 및 줄 히팅에 의해 소자의 온도가 높아져 밴드갭이 줄어드는 현상으로부터 설명할 수 있으며 이는 보통의 반도체에서 발생하는 현상이다. 하지만 청색편이는 질화물계 반도체에서만 보이는 특이한 현상으로, 소자의 온도가 증가함에도 불구하고 캐리어의 분포가 높은 에너지 준위를 차지하게 되어 발생하는 현상이다. 캐리어가 높은 에너지 준위를 차지하여 더욱 쉽게 overflow가 발생하여 고전류에서 efficiency droop현상이 다른 샘플보다 더욱 심하게 관측된다.
4. 결론
본 연구에서는 온도를 변화시켜 청색 GaInN 기반 LED, 적색 AlGaInP 기반 LED, 적외선 GaAs 기반 LED 의 EQE에 영향을 미치는 요인을 이해하고 설명하고자 하였다. EQE는 30 K부터 500 K까지의 온도를 변화시켜가며 변화되는 구동 전류에 따라 측정되었다. 실험을 통해서 적외선 LED와 적색 LED에서는 EQE가 온도로 인해 발생한 열적 효율 감소가 큰 영향을 주었으며, 청색 LED에서는 구동 전류의 증가에 따라 발생하는 efficiency droop이 더 큰 영향을 주었다. 원인을 더 자세히 파악하기 위해서 IQE와 LEE를 ABC 모델을 이용하여 EQE vs. I 곡선을 IQE vs. I 곡선으로 변환하여 분석하였다. 각 온도 범위에 따른 LEE 특성 분석 결과, 온도가 상승할수록 LEE가 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 적색 LED와 적외선 LED에서 LEE가 크게 감소했으며, 이는 LEE가 적색 LED와 적외선 LED에서 열적 효율 감소에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 한편, 청색 LED와 적색 LED에서는 높은 전류가 주입되었을 때 IE의 큰 감소와 높은 SRH 재결합 비율이 관찰되었다. 이는 IE와 RE가 청색 LED와 적색 LED의 EQE 감소에 중요한 역할을 한다고 설명할 수 있다. 이에 따라 적색 LED와 적외선 LED의 열적 효율 감소는 주로 LEE에 의한 것이므로 높은 광 추출 효율을 구조적 개선을, 청색 LED와 적색 LED의 경우 고온 및 고전류 환경에서의 IE와 RE를 개선하기 위해 QW의 개수를 늘리는 등의 개선이 필요하다. 본 연구에서 제시된 실험 결과 및 분석이 LED의 성능을 향상시키기 위한 연구를 진행하기 위한 방향을 제시하는 데 도움이 될 것이다.
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