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.
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.
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...
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 the value of injection current for stress through the junction-temperature measurement by using the forward-voltage characteristics of a diode to maintain a sufficiently low junction temperature during the test. The junction temperature at the selected injection current of 50 mA was 308 K. Experiments were performed under the assumption that the average junction temperature of 308 K did not affect the characteristics of the ohmic contact and the GaN-based materials. Before and after the stress test, we measured and analyzed current-voltage, light-current, light distribution on the LED surface, wavelength spectrum and relative external quantum efficiency (EQE). After the stress test, it was observed experimentally that the optical power and the relative EQE decreased. We theoretically investigated and experimentally proved that these phenomena are due to the increased nonradiative recombination rate caused by the increased defect density.
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 the value of injection current for stress through the junction-temperature measurement by using the forward-voltage characteristics of a diode to maintain a sufficiently low junction temperature during the test. The junction temperature at the selected injection current of 50 mA was 308 K. Experiments were performed under the assumption that the average junction temperature of 308 K did not affect the characteristics of the ohmic contact and the GaN-based materials. Before and after the stress test, we measured and analyzed current-voltage, light-current, light distribution on the LED surface, wavelength spectrum and relative external quantum efficiency (EQE). After the stress test, it was observed experimentally that the optical power and the relative EQE decreased. We theoretically investigated and experimentally proved that these phenomena are due to the increased nonradiative recombination rate caused by the increased defect density.
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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].
제안 방법
고배율 현미경과 감쇄필터, CCD카메라를 이용하여 샘플 표면의 발광분포를 측정하였다. 이러한 발광분포를 통하여 활성층으로 주입되는 전류의 2차원적 분포를 유추할 수 있다.
그림 8의 외부양자효율 곡선에 저전류 구간은 위와 같은 AB 모델로 맞추는 것이 가능하지만 고전류로 갈수록 예상 수치를 벗어남을 알 수 있다. 따라서 우리는 활성층으로부터의 누설 전류를 나타내는 추가적인 f(n) 항을 AB 모델에 추가하여 외부양자효율 결과에 대해서 그래프를 맞추어보았다. 그림 9는 이러한 물리적 배경을 도식적으로 설명하여 주고 있다.
면적의 수평형 전극구조를 갖는 GaN계 청색 발광 다이오드를 사용하였다. 또한 전압, 전류, 온도, 습도, 빛 등의 과도한 스트레스에 의하여 샘플 내에서 발생될 수 있는 복합한 고장 원인을 제거하기 위하여, 실험조건으로서 외부 빛이 차단된 상태로 상온에서 200시간 동안 일정한 전류 50 mA(전류 밀도 = 5 A/cm2)의 저전류 스트레스를 인가하였다. 샘플의 전기적, 광학적 특성 변화를 분석 하기 위해서 스트레스 인가 전후의 전류-전압(I-V), 광량-전류(L-I), 2차원 발광분포, 파장 스펙트럼, 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)의 변화를 측정하였다.
이러한 발광분포를 통하여 활성층으로 주입되는 전류의 2차원적 분포를 유추할 수 있다. 또한 파장 스펙트럼을 측정하여 첨두 파장 반치폭(fullwidth at half maximum, FWHM)의 변화 등을 관측하였다.
샘플의 전기적, 광학적 특성 변화를 분석 하기 위해서 스트레스 인가 전후의 전류-전압(I-V), 광량-전류(L-I), 2차원 발광분포, 파장 스펙트럼, 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)의 변화를 측정하였다. 또한, pn접합 다이오드에서의 Shockley 전류-전압 방정식과 발광층에서의 운반자 비율 방정식을 사용하여 스트레스 인가에 의한 비발광 재결합률의 변화를 정량적으로 분석하고자 하였다.
또한 전압, 전류, 온도, 습도, 빛 등의 과도한 스트레스에 의하여 샘플 내에서 발생될 수 있는 복합한 고장 원인을 제거하기 위하여, 실험조건으로서 외부 빛이 차단된 상태로 상온에서 200시간 동안 일정한 전류 50 mA(전류 밀도 = 5 A/cm2)의 저전류 스트레스를 인가하였다. 샘플의 전기적, 광학적 특성 변화를 분석 하기 위해서 스트레스 인가 전후의 전류-전압(I-V), 광량-전류(L-I), 2차원 발광분포, 파장 스펙트럼, 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)의 변화를 측정하였다. 또한, pn접합 다이오드에서의 Shockley 전류-전압 방정식과 발광층에서의 운반자 비율 방정식을 사용하여 스트레스 인가에 의한 비발광 재결합률의 변화를 정량적으로 분석하고자 하였다.
스트레스 인가 시간 변화에 따른 비발광 재결합률의 변화 정도를 평가하기 위하여 적분구를 이용하여 L-I 특성을 측정하였다. 정상상태(steady state)에서 발광 다이오드의 운반자 비율 방정식은 아래의 식 (2)과 같이 표현이 가능하다.
스트레스 인가 시간의 변화에 따른 상대적 외부양자효율의 변화를 측정함으로써 발광 다이오드 광량의 감소 정도를 평가하고 이를 AB모델을 사용하여 맞추어 비발광 재결합률과 발광 재결합률 그리고 전류 누설의 정도를 평가하였다[10]. 외부양자효율은 내부양자효율과 광추출효율(extraction efficiency)의 곱으로 나타내어지며, 그에 대한 AB 모델은 아래의 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.
그림 8은 실제 측정된 상대적 외부양자효율 측정결과를 AB 모델식에 맞춘 결과이며 표 3은 그로부터 추출된 A와 B 값을 보이고 있다. 스트레스를 인가하여 B 계수가 증가한다고는 볼 수 없으며 또한 앞의 여러 분석 결과들이 스트레스 후 결함 밀도가 증가함을 보이고 있으므로, 우리는 그래프를 맞추는 과정에서 B 값을 상수로 고정하고 A 값을 변수로 하였다. 그림 8의 외부양자효율 곡선에 저전류 구간은 위와 같은 AB 모델로 맞추는 것이 가능하지만 고전류로 갈수록 예상 수치를 벗어남을 알 수 있다.
따라서, 스트레스 인가에 따른 pn접합부의 온도 추이를 정확히 파악하여 두는 것은 매우 중요하다. 여기서는 일정한 전류구동 시 온도 상승과 접합전압 감소량과의 선형적 관계를 측정하여 스트레스 인가에 따른 접합온도를 측정하였다. 본 논문에서 사용한 발광 다이오드들은 동일 웨이퍼에서 동시에 제작된 칩으로서 그 전기적, 광학적 특성이 모두 유사하기 때문에, 샘플들 중 하나를 선택하여 접합온도 측정에 사용하였다.
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]. 그림 1은 DC와 duty rate 0.
저전류 스트레스 전·후에 샘플의 전기적, 광학적 특성 변화를 분석함으로써 고장 원인을 추적하였다.
본 논문에서 사용한 발광 다이오드들은 동일 웨이퍼에서 동시에 제작된 칩으로서 그 전기적, 광학적 특성이 모두 유사하기 때문에, 샘플들 중 하나를 선택하여 접합온도 측정에 사용하였다. 접합온도 측정을 위해서 전류펄스발생기, 오실로스코프, 오븐, 디지털 멀티미터를 사용하였다.
그림 3은 그림 1과 그림 2의 측정된 결과들로부터 계산된 주입 전류량의 변화에 따른 접합온도의 변화 경향이다. 접합온도가 높으면 접합저항의 변화, 억셉터 농도의 변화 등 다른 고장 요인의 가속화에 크게 영향을 미치므로 우리는 계산된 전류-접합온도 정보로부터 20℃ 미만의 적은 접합온도 상승을 가져오는 50 mA의 전류로 스트레스를 인가하였다. 이때의 접합온도는 약 308 K이다.
대상 데이터
여기서는 일정한 전류구동 시 온도 상승과 접합전압 감소량과의 선형적 관계를 측정하여 스트레스 인가에 따른 접합온도를 측정하였다. 본 논문에서 사용한 발광 다이오드들은 동일 웨이퍼에서 동시에 제작된 칩으로서 그 전기적, 광학적 특성이 모두 유사하기 때문에, 샘플들 중 하나를 선택하여 접합온도 측정에 사용하였다. 접합온도 측정을 위해서 전류펄스발생기, 오실로스코프, 오븐, 디지털 멀티미터를 사용하였다.
본 실험에서는 스트레스가 발광 다이오드의 활성층에 미치는 영향만을 알아 보기 위하여, 칩 공정 후 에폭시가 없는 상태의 TO-CAN 패키지된 1 mm2 면적의 수평형 전극구조를 갖는 GaN계 청색 발광 다이오드를 사용하였다. 또한 전압, 전류, 온도, 습도, 빛 등의 과도한 스트레스에 의하여 샘플 내에서 발생될 수 있는 복합한 고장 원인을 제거하기 위하여, 실험조건으로서 외부 빛이 차단된 상태로 상온에서 200시간 동안 일정한 전류 50 mA(전류 밀도 = 5 A/cm2)의 저전류 스트레스를 인가하였다.
이론/모형
다이오드의 전류-전압 특성은 Shockley 방정식을 이용하여 표현이 가능하며 식 (1)과 같다.
성능/효과
이러한 현상은 띠 채움(band filling)에 의한 효과로 잘 알려져 있다. 그림 6 (a)는 스트레스 전의 파장 스펙트럼 결과이며, 1 mA 전류 주입시의 첨두 파장이 452.47 nm, 반치폭이 16.54 nm이며, 50 mA 주입시의 첨두 파장이 448.99 nm이고 반치폭이 22.44 nm이다. 그림 6 (b)는 200시간 스트레스 후의 파장 스펙트럼 결과이며, 1 mA 전류 주입시의 첨두 파장이 452.
발광 패턴에서 스트레스 후 특정한 광분포의 변화가 관측되지 않았다. I-V 특성 곡선, 파장 스펙트럼, L-I, 외부양자효율 실험 결과에서는 스트레스 인가 시간 변화에 따른 실험 결과의 변화가 뚜렷이 관측되었다. 이상 계수 상승, 직렬 저항 감소, 역전압에서의 전류값 증가, 광파워 감소, 외부양자효율 감소가 관측되었으며, 이러한 현상들은 모두 활성층의 결함 증가를 의미한다.
이러한 변화 이유에 대한 명확한 프로세스는 아직 밝혀지지는 않았지만, 접합열의 증가로 인한 첨두 파장의 적색 편이(red shift)와 반치폭의 증가로 설명될 수 있다. 결과적으로 실험 결과는 저전류 스트레스에 의하여 활성층의 상태가 변했음을 나타내고 있다.
는 광추출효율을 의미한다. 광추출효율을 상수로 가정하고 A와 B값을 변화시키며 각 파라미터들의 외부양자 효율 곡선에서의 영향을 살펴보면 A가 증가할수록 외부양자효율이 감소하며, B가 증가할수록 EQE가 증가함을 알 수 있다.
33 nm로 미소한 정도이지만 줄어드는 경향을 보였다. 또한 반치폭은 스트레스 전은 1 mA와 50 mA일 때의 차이가 5.9 nm이고 스트레스 후는 8.37 nm로 증가하는 경향을 보였다. 이러한 변화 이유에 대한 명확한 프로세스는 아직 밝혀지지는 않았지만, 접합열의 증가로 인한 첨두 파장의 적색 편이(red shift)와 반치폭의 증가로 설명될 수 있다.
이상 계수 상승, 직렬 저항 감소, 역전압에서의 전류값 증가, 광파워 감소, 외부양자효율 감소가 관측되었으며, 이러한 현상들은 모두 활성층의 결함 증가를 의미한다. 이러한 일련의 실험들을 분석함으로써 활성층의 결함 밀도 증가로 인하여 비발광 재결합 센터가 증가하고 이로 인하여 비발광 재결합률이 증가함을 알 수 있었다.
I-V 특성 곡선, 파장 스펙트럼, L-I, 외부양자효율 실험 결과에서는 스트레스 인가 시간 변화에 따른 실험 결과의 변화가 뚜렷이 관측되었다. 이상 계수 상승, 직렬 저항 감소, 역전압에서의 전류값 증가, 광파워 감소, 외부양자효율 감소가 관측되었으며, 이러한 현상들은 모두 활성층의 결함 증가를 의미한다. 이러한 일련의 실험들을 분석함으로써 활성층의 결함 밀도 증가로 인하여 비발광 재결합 센터가 증가하고 이로 인하여 비발광 재결합률이 증가함을 알 수 있었다.
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].
참고문헌 (10)
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