InGaN/GaN 양자우물구조에 생성되는 v-groove 주위의 음극형광특성에 대한 연구

Abstract

현재 조명용으로 각광을 받고 있는 Light Emitting Diode (LED) 소자는 1970년대 적색 발광소자를 기반으로 개발된 후 지속적으로 효율이 증가되고 있으며, 소자의 응용분야가 확대되고 있다. 특히, 질화물계 반도체 (AlN, GaN, InGaN, AlGaN, etc.) 는 조성비 변화에 따라 energy band gap을 조절할 수 있으므로, 조성비를 조절하여 red부터 UV 영역까지 빛을 낼 수 있는 소자를 개발할 수 있다. 또한 LED는 환경 친화적이고, 일반 조명보다 작은 전력소모, 긴 수명 등 많은 장점을 가지고 있다. 이에 기반하여 LED 시장은 급속히 성장하고 있으며, 현재 LED package의 cost per lumen가 약 12.5 $/klm인 것을 2015년도까지 약 2 $/klm으로 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다. 따라서 이와 같은 목표를 달성하기 위해서는 발광효율의 증가에 대한 연구가 필수적으로 진행되어야 한다. 이상적으로 LED의 내부 양자 효율은 인가하는 전류의 세기와 비례해야 한다. 그러나 LED의 미세 구조 변화에 따라서 양자효율의 변화가 생기기 때문에, 미세 구조와 발광 특성 간 관계를 밝히는 것은 LED 소자를 개발하는데 필수적인 요소로 작용한다 기존 많은 논문들에서 InGaN/GaN Multi-Quantum Wells (MQWs) 구조를 갖는 LED에서 발광 특성과 소자의 미세구조 관계를 연관시키기 위해 Scanning Electron Microscopy (SEM) 과 CL이 결합 시스템과 TEM을 이용한 미세구조 분석 결과를 비교하여 분석하였다. 그러나 이러한 방법은 장비의 공간 분해능의 한계로 인하여 국부적인 영역에서 발광 특성을 제시하지 못하고 있다. 본 실험에서는 Transmission Electron Microscopy (TEM) 과 CL (Cathodoluminescence) 가 결합된 시스템을 이용하여, MQWs 구조를 갖는 상용화 InGaN/GaN hetero-structure LED에서 내부 구조와 발광 특성간 관계를 밝히고자 하였다. 실험과정은 먼저 TEM-CL과 PL의 condition을 비교하기 위해, TEM-CL에서 QWs 두께에 따른 발광 세기를 비교하였고, 이를 통해 TEM-CL이 PL에서 low-excitation condition에 대응되는 것을 확인하였다. 다음으로 cross-section sample을 통해서 QWs의 내부 구조와 발광 특성 사이 관계를 밝히고자 하였으며, 시편 전체에서 발광 특성을 파악하기 위해 plan-view 시편을 이용하여 TEM-CL을 진행하였다. 실험 결과, QWs의 두께가 얇아지고 In의 함량이 적어짐에 따라 발광되는 빛이 blue shift가 되었으며, v-groove에서는 다른 지역보다 더욱 짧은 파장의 빛을 내고 있음을 확인하였다. 그리고 TEM-CL과 STEM image로 v-groove 주변 QDisk의 존재를 발견하였으며, 이 QDisk은 주변보다 energy band gap이 낮음을 확인하였다. 따라서 QDisk는 carrier를 효과적으로 capture하므로 발광효율을 높이는 작용을 하며, energy band gap이 높은 v-groove영역은 carrier의 이동을 방해하는 energy barrier로 작용하여 carrier의 delocalization을 유발하므로, carrier가 dislocation영역에서 recombination되는 것을 방해하여 LED의 효율을 높인다는 결론을 낼 수 있었다.