TCAD 시뮬레이션을 이용한 InGaN 양자우물 마이크로 LED 효율 개선 연구
Study of efficiency improvement in InGaN quantum well micro LED using TCAD simulation
초록/요약
마이크로LED(Light Emitting Diode)는 높은 효율과 고전류 주입이 가능하고 RGB 색상 표현이 가능하여, 차세대 디스플레이 기술로 많은 주목을 받고 있다. 2020년 국내 디스플레이 기업에서 발표한 100인치 4K 마이크로LED TV는 약 60μm 크기의 마이크로 LED로 구성되어 고해상도와 밝은 휘도로 우수한 화질을 보여주었다. 하지만 이미 LCD(Liquid Crystal Display)도 80인치 대 8K 화질을 구현하고 있으므로, 향후 마이크로LED의 다양한 응용 분야 확대를 위해 더욱 우수한 성능의 소자 연구개발이 필요하고, 더 높은 해상도의 디스플레이를 위해서는 마이크로LED의 크기는 계속 작아져야 한다. 마이크로LED의 성능 향상을 위해서는 내부 광자 효율 향상이 필요하다. n-GaN과 p-GaN 사이의 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 층에서 모든 전자(Electron)와 정공(Hole)이 손실 없이 재결합하게 되면 내부 양자 효율은 100%에 가까워진다. 하지만, 마이크로LED 크기가 작아질수록 활성 영역에서 재결합하지 못하고 LED 표면에서 Non-radiative 재결합으로 인해 내부 양자 효율이 감소하는 문제점이 발생한다. Radiative 재결합률을 높이기 위해서 이상적인 마이크로LED 구조의 결점 없는 우수한 품질이 요구되기 때문에 현재에도 마이크로LED 소자구조의 다변화를 위한 연구를 지속하고 있다. 본 논문에서는 TCAD를 이용해 마이크로LED에서 내부 양자 효율 감소를 확인하고 이를 개선하기 위해 새로운 구조를 제안하였다. 캐리어가 메사(Mesa) 표면을 따라 흐르는 것을 방지하는 EMA(Electrostatic Micro-Aperture) 구조를 제안하고 그 효과를 시뮬레이션을 통해 검증하였다. EMA는 마이크로LED 메사 구조를 절연체로 감싸고 n(-) 극 패드를 양자 우물(QW) 층 옆까지 확장하는 구조이다. 기본적인 마이크로LED 구조에서 n(-) 극 패드 형태를 변형한 것으로 시뮬레이션으로 기존 마이크로 LED와 그 결과를 비교하였다. 시뮬레이션 상 전기적 특성을 확인한 결과 n(-) 극 패드를 다중 양자 우물 활성층까지 연장하였을 때 구동 전류 4,000 일 때 내부 양자 효율은 기존 마이크로LED 보다 약 2% 향상되는 결과를 확인하였다. 이러한 출력 향상은 n(-) 극 패드가 활성 영역에 인접하여 재결합하지 못한 소수캐리어를 표면에서 밀어내 표면재결합을 줄였기 때문이다. 이로 인해 다중 양자 우물 활성 영역의 SRH(Schokley Read Hall) recombination rate가 줄어들었고, 마이크로LED의 출력 증가를 가져올 수 있었다. 본 연구 결과인 새로운 EMA 구조 마이크로 LED는 기존 마이크로LED 구조에 적용할 수 있고 LED 효율 향상에 많은 발전을 가져올 것으로 기대된다.
more목차
제1장 서론 1
제1절 연구배경 1
제2절 마이크로LED 효율 감소 문제 2
제3절 연구방법 3
제2장 마이크로LED 구조 시뮬레이션 4
제1절 마이크로LED 구조 4
제2절 시뮬레이션 파라미터 6
제3절 시뮬레이션 추출 데이터 9
제3장 마이크로LED 효율 개선을 위한 EMA 구조 탐색 11
제1절 EMA 구조 제안 11
제2절 EMA 구조 데이터 비교 13
제3절 EMA 기술 외 구조 변경 실험 26
제4장 EMA 적용 최적 마이크로LED 구조 33
제1절 EMA 구조 성능 비교 33
제2절 최적 마이크로LED 구조 34
제5장 결론 38
참고문헌 39
