[논문]양자 우물 구조가 GaN 기반 LED 특성에 미치는 영향

이재현; 염기수

양자 우물 구조가 GaN 기반 LED 특성에 미치는 영향
The Effect of Quantum Well Structure on the Characteristics of GaN-based Light-Emitting Diode 원문보기

이재현 (한밭대학교 정보통신전문대학원) , 염기수 (한밭대학교 정보통신공학과)

본 논문에서는 양자 우물 구조 변화에 따른 GaN 기반 LED의 출력 특성을 분석하였다. 사용된 LED의 기본 구조는 GaN 버퍼층을 기반으로 GaN 장벽과 InGaN 양자 우물로 이루어진 활성 영역이 AlGaN EBL(Electron Blocking Layer)과 AlGaN HBL(Hole Blocking Layer) 사이에 구성되어 있다. ISE-TCAD를 이용하여 LED 활성영역의 양자 우물의 두께와 개수, 장벽의 도핑 변화에 따른 출력 전력, 내부 양자 효율 특성을 분석하였다.

In this paper, the output characteristics of GaN-based LED considering quantum well structure are analyzed. The basic structure of the LED consists of active region of GaN barrier and InGaN quantum well between AlGaN EBL(Electron Blocking Layer) and AlGaN HBL(Hole Blocking Layer) on GaN buffer layer. The output power, internal quantum efficiency characteristics of LED active region considering thickness of quantum well, number of quantum well and doping of barrier are analyzed using ISE-TCAD.

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제안 방법

본 논문에서는 ISE-TCAD 시뮬레이션을 사용하여 InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조의 LED를 설계한 후 활성 영역 안 양자 우물의 두께와 개수, 장벽의 도핑 변화에 따른 출력 전력 , 내부 양자 효율인 IQE의 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 ISE-TCAD 시뮬레이션을 이용하여 InGaN/GaN 다중 양자 우물 구조 LED에서 활성층 구조 변화에 따른 출력 전력과 IQE 특성을 분석하였다.

이론/모형

몰분율에 따른 각각의 파라미터 값은 시뮬레이션 내에서 기본 물질들의 파라미터 값을 이용하여 선형 보간법으로 계산 되며, 전자/정공 질량 및 이동도, 전자친화도, 열전도도 등의 값은 ISE-TCAD의 기본 파라미터를 사용하였다
재결합과 관련한 파라미터는 Auger 재결합, SRH(Shockley Read Hall) 재결합, Radiative 재결합 모델을 사용하며 각각의 재결합률 계산식은 다음과 같다.

성능/효과

활성 영역 안의 장벽에 모두 도핑을 하였을 때 출력 전력 값은 도핑하지 않았을 때 보다 증가하다 도핑 농도가 5X10¹⁸cm^-3 이상일 때 출력 전력이 큰 폭으로 증가하게 된다. 10mA 이하의 전류 범위서 도핑 된 장벽의 IQE 값은 더욱 크지만, 전류가 증가함에 따라 비방사 재결합률의 증가로 IQE 값의 효율 증가는 보이지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 장벽의 p형 도핑은 출력과 IQE 값을 고려해 1X10¹⁷cm^-3에서 1X10¹⁸cm^-3 사이의 농도로 광 방출 특성을 높일 수 있다
InGaN으로 이루어진 양자 우물은 두께가 증가할수록 출력 전력이 증가하며, 낮은 전류에서의 IQE 값은 두께가 얇을수록 크지만 전류가 증가함에 따라 두께가 커질수록 IQE 값이 커지는 것을 알 수 있다. 따라서 양자 우물 두께는 동작 전류 범위를 고려하여 5nm에서 15nm이하로 설계하는 것이 효율적이다.
양자 우물 두께가 증가하면서 활성층 안의 캐리어 밀도가 증가하여 방사 재결합률의 증가로 출력 전력, IQE 값이 점차 커지다가 두께가 15nm 이상의 양자 우물은 높은 캐리어 밀도와 활성 영역 안 장벽의 기능 약화로 누설 전류가 생겨 증가폭이 다소 감소하는 것을 알 수 있다[3],[5]. 따라서 양자 우물 두께는 동작 전류 범위를 고려하여 5nm에서 15nm이하로 설계하는 것이 효율적이다.
또한 IQE 값은 10mA에서 3nm 양자 우물 두께를 가진 LED의 효율이 20nm 두께보다 약 30% 정도로 가장 크지만 전류가 증가할수록 IQE 값이 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서 양자 우물 두께는 동작 전류 범위를 고려하여 5nm에서 15nm이하로 설계하는 것이 효율적이다. 또한 양자 우물 수에 따른 출력 전력은 우물의 수가 증가할수록 값이 커지지만 2개 이상부터 증가폭이 감소하는 경향을 나타냈다. 낮은 전류 범위에서 단일 양자 우물의 IQE 값이 가장 높지만 전류가 증가함에 따라 다중의 양자 우물 수를 가진 구조의 IQE 값이 점차 증가하는 것을 알 수 있다.
그림 3은 InGaN 활성 영역의 양자 우물 두께 변화에 따른 출력 전력과 IQE 특성이며 두께는 3nm에서 20nm까지 변화시켰다. 양자 우물 두께가 증가함에 따라 출력 전력 값은 증가하고 두께가 15nm 이상이 되면 증가폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 IQE 값은 10mA에서 3nm 양자 우물 두께를 가진 LED의 효율이 20nm 두께보다 약 30% 정도로 가장 크지만 전류가 증가할수록 IQE 값이 크게 감소하는 것을 알 수 있다.
우물의 수가 증가할수록 출력 전력과 IQE의 값은 증가하지만, 우물이 2개 이상일 경우 증가폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 단일 양자 우물 구조의 경우, 전류가 약 10mA일 때는 IQE 값이 가장 크지만 전류가 증가할수록 값이 크게 감소한다.
까지 변화시켜 p형 도핑 시켰을 때의 출력 특성을 그림 5에 나타내었다. 장벽에 도핑을 하였을 때 출력 전력은 더욱 증가하였으며, 도핑 농도가 5X10¹⁸cm^-3 이상일 때 출력 전력이 크게 증가하였다. 하지만 IQE 값은 전류가 약 15mA 일 때, 도핑하지 않았을 때 보다 5X10¹⁸cm^-3로 도핑 하였을 때 약 2% 감소하여 장벽으로 인한 효율 증가는 약 10mA 이상부터는 보이지 않는 것을 알 수 있다.

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