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GaN계 청색 발광 다이오드에서 저전류 스트레스 후의 광 및 전기적 특성 변화
Optical and Electrical Characteristics of GaN-based Blue LEDs after Low-current Stress 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.23 no.2, 2012년, pp.64 - 70  

김서희 (한양대학교 응용물리학과) ,  윤주선 (한양대학교 전자통신공학과) ,  신동수 (한양대학교 응용물리학과) ,  심종인 (한양대학교 전자통신공학과)

초록
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c-plane 사파이어 기판에서 성장된 1 $mm^2$ 대면적 InGaN/GaN 다중양자우물 청색 발광 다이오드의 스트레스 전후의 전기적, 광학적 특성 변화를 분석하였다. 스트레스 실험은 샘플 칩을 TO-CAN에 패키징하여 50 mA의 전류를 200시간 동안 인가하여 수행하였다. 스트레스 인가 전류는 다이오드의 순전압 특성을 이용한 접합온도(junction temperature) 측정 실험을 통하여 충분히 낮은 접합온도를 유지하는 값으로 선택하였다. 이렇게 선택한 50 mA의 전류 인가량에서 접합온도는 약 308 K였다. 308 K의 접합온도는 접촉저항(ohmic contact) 또는 GaN계 물질의 특성 변화에 영향을 주지 않는다고 가정하고 실험을 진행하였다. 스트레스 전후에 전류-전압, 광량-전류, 표면 광분포, 파장 스펙트럼 및 상대적 외부양자효율 특성을 측정 및 분석하였다. 측정결과, 스트레스 후 저전류 구간에서의 광량이 감소하고 상대적 외부양자효율이 감소하는 현상을 관찰하였다. 우리는 이러한 현상이 결함의 증가로 인한 비발광 재결합률 증가로부터 기인함을 이론적으로 검토하고 실험결과의 분석을 통하여 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We analyzed the changes in electrical and optical characteristics of 1 $mm^2$ multiple-quantum-well (MQW) blue LEDs grown on a c-plane sapphire substrate after a stress test. Experiments were performed by injecting 50 mA current for 200 hours to TO-CAN packaged sample chips. We selected t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 발광 다이오드의 높은 신뢰성 동작을 얻기 위해서는 이러한 고장 요인이 해결되어야 하며 그에 선행하여 먼저 발생 원인을 추적하고 정량적인 분석이 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 GaN계 청색 발광 다이오드에서 스트레스 후의 비발광 재결합률 증가 현상에 대한 원인을 규명하고 분석하는데 중점을 두었다. GaN계 청색 발광 다이오드의 경우 고전류, 고전압, 고온 동작 시에는 비발광 재결합률 상승 외에도 많은 성능저하 원인들이 변수가 되므로 우리는 저전류 스트레스를 채택하여 고장 요인을 제한하였다.

가설 설정

  • 전류공급원이 DC인 경우는 Joule 열에 의하여 발광 다이오드의 pn 접합부에 온도 상승이 있고, duty rate 0.1%의 펄스 전류공급원을 사용한 경우에는 pn 접합부에 온도 상승이 없다고 가정한다. 이 가정하에서 동일한 전류에서 측정한 DC와 펄스에서의 동작전압 값의 차와 온도상승에 따른 동일 전류에서의 전압 변화량의 기울기(K-factor)를 곱하여 접합온도를 계산하였다[8].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
발광다이오드에서 pn접합부의 온도는 어떠한 영향을 미치는 인자인가? 발광 다이오드의 pn접합부의 온도는 전기적, 광학적 특성에 큰 영향을 미치는 중요한 특성인자이다. 따라서, 스트레스 인가에 따른 pn접합부의 온도 추이를 정확히 파악하여 두는 것은 매우 중요하다.
Shockley 방정식에 맞추어 추출한 다이오드 파라미터에서 역방향 전류가 증가한 이유는? 여기서 역방향 전류의 증가는 결함(defect)에 의한 생성 전류(generation current)가 커지기 때문에 발생한다. 이러한 현상은 결함 밀도(defect density)의 증가로 인하여 발생하며 표 1에서 보이는 정전압에서의 이상 계수 증가와 관련이 있다.
발광 다이오드의 성능저하 원인에는 어떠한 것들이 있는가? GaN 물질을 기반으로 하는 청색 및 녹색 발광 다이오드(light-emitting diode, LED)에서 고장 모드와 고장 메커니즘 분석은 발광 다이오드가 조명 산업을 주도하기 위해서 반드시 밝혀지고 해결되어야 하는 중요한 과제들 가운데 하나이다. 현재 밝혀진 발광 다이오드의 성능저하 원인들로서는 비발광 재결합에 의한 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE)의 감소[1], Mg-H결합의 생성에 의한 억셉터(acceptor) 농도의 감소[2], 활성층으로 주입되는 운반자(carrier) 수 및 경로 변화[3], 고온에 의한 형광체의 갈변 현상[4], 고온과 단파장의 방사에 의한 플라스틱 렌즈의 성능저하[5], 정전기에 의한 p-n 접합의 단락[6] 등이 있다. 이러한 원인들 중 비발광 재결합률의 상승으로 인한 내부양자효율의 감소는 칩 외부의 패키지 및 에폭시에 의하여 발생하는 성능저하 원인들과 구분되며, 저 전류, 고전류, 고온 스트레스 후의 측정 결과 모두에서 관측되고 있다[7].
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참고문헌 (10)

  1. X. A. Cao, P. M. Sandvik, S. F. LeBoeuf, and S. D. Arthur, "Defect generation in InGaN/GaN light-emitting diodesunder forward and reverse electrical stresses," Microelectron. Reliab. 43, 1987-1991 (2003). 

  2. S. Bychikhin, D. Pogany, L. K. J. Vandamme, G. Meneghesso, and E. Zanoni, "Low-frequency noise sources in as-prepared and aged GaNbased light-emitting diodes," J. Appl. Phys. 97, 123714 (2005). 

  3. A. Y. Polyakov, J. Kim, B. Luo, R. Mehandru, F. Ren, K. P. Lee, S. J. Pearton, A. V. Osinsky, and P. E. Norris, "Enhanced tunneling in GaN/InGaN multi-quantum-well heterojunction diodes after short-term injection annealing," J. Appl. Phys. 91, 5203-5207 (2002). 

  4. N. Narendran, Y. Gu, J. P. Freyssinier, H. Yu, and L. Deng, "Solid-state lighting: failure analysis of white LEDs," J. Cryst. Growth 268, 449-456 (2004). 

  5. R. Mueller-Mach, G. O. Mueller, M. R. Krames, and T. Trottier, "High-power phosphor-converted light-emitting diodes based on III-nitrides," IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 8, 339-345 (2002). 

  6. L.-R. Trevisanello, M. Meneghini, G. Mura, C. Sanna, S. Buso, G. Spiazzi, M. Vanzi, G. Meneghesso, and E. Zanoni, "Thermal stability analysis of high brightness LED during high temperature and electrical aging," Proc. SPIE 6669, 666913 (2007). 

  7. M. Meneghini, A. Tazzoli, G. Mura, G. Meneghesso, and E. Zanoni, "A review on the physical mechanisms that limit the reliability of GaN-based LEDs," IEEE Trans. Electron. Dev. 57, 108-118 (2010). 

  8. Y. Xi, T. Gessmann, J. Xi, J. K. Kim, J. M. Shah, E. F. Schubert, A. J. Fischer, M. H. Crawford, K. H. A. Bogart, and A. A. Allerman, "Junction temperature in ultraviolet light-emitting diodes," Jpn. J. Appl. Phys. 44, 7260-7266 (2005). 

  9. J. Hu, L. Yang, and M. W. Shin, "Electrical, optical and thermal degradation of high power GaN/InGaN light-emitting diodes," J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 035107 (2008). 

  10. M. F. Schubert, S. Chhajed, J. K. Kim, E. F. Schubert, D. D. Koleske, M. H. Crawford, S. R. Lee, A. J. Fischer, G. Thaler, and M. A. Banas, "Effect of dislocation density on efficiency droop in GaInN/GaN light-emitting diodes," Appl. Phys. Lett. 91, 231114 (2007). 

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