내부 양자 효율(IQE)의 측정은 발광다이오드(LED)의 특성을 평가하고 향상시키는 데 있어 매우 중요하다. IQE를 측정하는 여러 방법 중에서, 상온 기준점 방법(room-temperature reference-point method, RTRM)은 적용의 용이성과 측정 속도 등 많은 장점 때문에 자주 사용된다. RTRM은 어떠한 물리적 파라미터에 대한 사전 가정 없이 상대적인 복사광 파워 값만으로, 빛-전류(light-current, L-I) 특성으로부터 IQE를 평가한다. 본 연구에서는 저항을 LED와 병렬로 연결하여 표면 누설 전류(surface leakage current)를 모의한 청색 LED를 사용함으로써, 표면 누설 전류가 RTRM에 미치는 영향을 분석하였다. 병렬 저항의 값을 1 $M\Omega$ 에서 1 $k\Omega$ 까지 변화시키면서 전류-전압(I-V), L-I, 이상성 인자(ideality factor), 그리고 RTRM의 $a_2$ 계수 등 다양한 광전자 특성의 변화를 관찰하였다. 이 논문은 표면 누설 전류가 LED의 광전자 특성에 미치는 영향을 이해하기 위한 사례 연구로서의 역할을 한다. 또한, 본 방법이 보다 신뢰성 있게 활용될 수 있도록 LED 및 가능하게는 마이크로-LED의 IQE 값을 측정할 때 RTRM의 적용 가능성에 대한 지침을 제안한다.

GaN 기반 청색 발광다이오드(LED)의 전류, 전압, 내부 양자효율, 및 순방향 정전용량에 대한 자기일관적 분석을 제시하여 활성 양자우물(QW) 내부와 외부에서의 캐리어 동역학에 관한 상세 정보를 얻고자 한다. 분석에서, 소자의 순방향 정전용량은 비복사 재결합이 일어나는 영역에 대한 추가 정보를 제공하는 데 핵심적인 역할을 한다. 분석에는 GaN 기반 청색 LED로부터의 실험 데이터를 사용하여, 가해지는 전압 및 전류에 따라 전하 캐리어가 QW 내부 및 외부에 어떻게 분포하는지, 또한 캐리어 수명과 방사/비복사 전류가 어떻게 거동하는지를 보여준다. 우물에서는 장벽/층간층보다 캐리어가 재결합하는 밀도가 한 자릿수(orders of magnitude) 더 높다는 것이 제시된다.

가N 기반 발광다이오드(LED)의 순방향 전압은 극저온 온도에서 유의하게 증가하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 광여기(photoexcitation) 측정을 활용하여 높은 순방향 전압의 원인을 규명하였다. 이상적인 다이오드 거동을 보여주는 단락 전류 대 개방 회로 전압의 특성을 이용하여, 활성 영역 외부에서 발생하는 추가적인 전위 강하의 원인을 분석하였다. 그 결과, 100 K 이하의 극저온에서 비정상적으로 높은 순방향 전압, 즉 낮은 전압 효율(VE)이, p형 도펀트의 충분한 활성화가 이루어지지 않아 공간전하 제한 전류(space-charge-limited current, SCLC)에 의해 유도된다는 점이 시사되었다. 본 연구는 극저온에서 GaN 기반 LED에서의 SCLC의 위치와 그 원인을 명확히 함으로써, 순방향 전압과 VE의 추가적인 개선을 가능하게 한다.

이 연구는 메사 크기 30 × 30 μm2의 InGaN/GaN 다중 양자 우물 플립칩 청색 마이크로 발광다이오드(μ-LED)에 대한 전류 스트레스가 미치는 영향을 조사하고, 결함의 응집 및 생성과 같은 스트레스 관련 메커니즘이 μ-LED의 광전자 소자 성능 변화를 유발함을 설명한다. 정방향 전류 스트레스를 75 A/cm2(0.7 mA)에서 200 h 동안 가한다. 소자의 성능은 25 h까지는 변화를 보이지 않다가, 스트레스 시간이 증가할수록 저하된다. 열화 초기 25 h 동안에는, 활성 영역에서 점 결함의 응집으로 인해 결정 품질이 향상되어 광출력 전력과 외부 양자 효율(EQE)이 증가하며, 이는 이상성 인자와 S-파라미터로 뒷받침된다. 고해상도 발광-현미경 이미지 결과, 성능 저하에 결정적인 것은 활성 영역이 아니라 메사 측벽에서의 점 결함 생성임이 드러난다. 특히, 측벽이 두꺼운 SiO2 층으로 적절히 패시베이션되어 있었음에도 불구하고, 열화 시험이 측벽 점 결함을 생성한다는 점을 강조한다. 열화에 의한 결함의 응집 및 생성 메커니즘은 이상성 인자, S-파라미터, 그리고 EQE에 의해 일관되게 설명된다.

내부 양자 효율(IQE)의 측정은 발광다이오드(LED)의 특성을 평가하고 향상시키는 데 있어 매우 중요하다. IQE를 측정하는 여러 방법 중에서, 상온 기준점 방법(room-temperature reference-point method, RTRM)은 적용의 용이성과 측정 속도 등 많은 장점 때문에 자주 사용된다. RTRM은 어떠한 물리적 파라미터에 대한 사전 가정 없이 상대적인 복사광 파워 값만으로, 빛-전류(light-current, L-I) 특성으로부터 IQE를 평가한다. 본 연구에서는 저항을 LED와 병렬로 연결하여 표면 누설 전류(surface leakage current)를 모의한 청색 LED를 사용함으로써, 표면 누설 전류가 RTRM에 미치는 영향을 분석하였다. 병렬 저항의 값을 1 $M\Omega$ 에서 1 $k\Omega$ 까지 변화시키면서 전류-전압(I-V), L-I, 이상성 인자(ideality factor), 그리고 RTRM의 $a_2$ 계수 등 다양한 광전자 특성의 변화를 관찰하였다. 이 논문은 표면 누설 전류가 LED의 광전자 특성에 미치는 영향을 이해하기 위한 사례 연구로서의 역할을 한다. 또한, 본 방법이 보다 신뢰성 있게 활용될 수 있도록 LED 및 가능하게는 마이크로-LED의 IQE 값을 측정할 때 RTRM의 적용 가능성에 대한 지침을 제안한다.

GaN 기반 청색 발광다이오드(LED)의 전류, 전압, 내부 양자효율, 및 순방향 정전용량에 대한 자기일관적 분석을 제시하여 활성 양자우물(QW) 내부와 외부에서의 캐리어 동역학에 관한 상세 정보를 얻고자 한다. 분석에서, 소자의 순방향 정전용량은 비복사 재결합이 일어나는 영역에 대한 추가 정보를 제공하는 데 핵심적인 역할을 한다. 분석에는 GaN 기반 청색 LED로부터의 실험 데이터를 사용하여, 가해지는 전압 및 전류에 따라 전하 캐리어가 QW 내부 및 외부에 어떻게 분포하는지, 또한 캐리어 수명과 방사/비복사 전류가 어떻게 거동하는지를 보여준다. 우물에서는 장벽/층간층보다 캐리어가 재결합하는 밀도가 한 자릿수(orders of magnitude) 더 높다는 것이 제시된다.

가N 기반 발광다이오드(LED)의 순방향 전압은 극저온 온도에서 유의하게 증가하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 광여기(photoexcitation) 측정을 활용하여 높은 순방향 전압의 원인을 규명하였다. 이상적인 다이오드 거동을 보여주는 단락 전류 대 개방 회로 전압의 특성을 이용하여, 활성 영역 외부에서 발생하는 추가적인 전위 강하의 원인을 분석하였다. 그 결과, 100 K 이하의 극저온에서 비정상적으로 높은 순방향 전압, 즉 낮은 전압 효율(VE)이, p형 도펀트의 충분한 활성화가 이루어지지 않아 공간전하 제한 전류(space-charge-limited current, SCLC)에 의해 유도된다는 점이 시사되었다. 본 연구는 극저온에서 GaN 기반 LED에서의 SCLC의 위치와 그 원인을 명확히 함으로써, 순방향 전압과 VE의 추가적인 개선을 가능하게 한다.

이 연구는 메사 크기 30 × 30 μm2의 InGaN/GaN 다중 양자 우물 플립칩 청색 마이크로 발광다이오드(μ-LED)에 대한 전류 스트레스가 미치는 영향을 조사하고, 결함의 응집 및 생성과 같은 스트레스 관련 메커니즘이 μ-LED의 광전자 소자 성능 변화를 유발함을 설명한다. 정방향 전류 스트레스를 75 A/cm2(0.7 mA)에서 200 h 동안 가한다. 소자의 성능은 25 h까지는 변화를 보이지 않다가, 스트레스 시간이 증가할수록 저하된다. 열화 초기 25 h 동안에는, 활성 영역에서 점 결함의 응집으로 인해 결정 품질이 향상되어 광출력 전력과 외부 양자 효율(EQE)이 증가하며, 이는 이상성 인자와 S-파라미터로 뒷받침된다. 고해상도 발광-현미경 이미지 결과, 성능 저하에 결정적인 것은 활성 영역이 아니라 메사 측벽에서의 점 결함 생성임이 드러난다. 특히, 측벽이 두꺼운 SiO2 층으로 적절히 패시베이션되어 있었음에도 불구하고, 열화 시험이 측벽 점 결함을 생성한다는 점을 강조한다. 열화에 의한 결함의 응집 및 생성 메커니즘은 이상성 인자, S-파라미터, 그리고 EQE에 의해 일관되게 설명된다.

본 논문에서는 발광다이오드(LED) 에피택셜 층의 결함 수준과 결정 품질에 관한 정보를 추출하는 데 거시적 특성들을 어떻게 활용할 수 있는지를 제시한다. 전류–전압( I–V ) 및 광출력 전류–전류( L–I ) 특성의 현재 연구를 검토한 후, 장치 내 서로 다른 결함 수준이 내부양자효율(IQE)을 포함한 거시적 특성에 어떻게 반영되는지를 실제 사례를 통해 보인다. 우리는 I–V로부터 얻는 이상성 인자(ideality factor)와 L–I로부터 얻는 S-파라미터가 장치의 활성 영역에서 복사 재결합이 지배적임을 나타내는 유용한 지침이 될 수 있음을 보여준다. 에피택셜 층의 결함 수준에 대한 성능지표(figure of merit)로서 최소 이상성 인자를 제안하며, 이는 최대 IQE 값과 상관관계가 있음을 보인다.

측벽 결함과 측방 캐리어 확산 길이가 외부 양자 효율(EQE)에 미치는 영향을 InGaN/GaN 기반 청색 및 녹색 마이크로-LED에서 일관되게 조사하였다. 청색 및 녹색 마이크로-LED는 모두 동일한 메사 크기(20×20 및 60×60 μm2)를 갖는다. 청색 마이크로-LED는 녹색 마이크로-LED보다 더 높은 결정 품질과 EQE를 보인다. 녹색 마이크로-LED의 EQE는 더 높은 In 조성으로 인해 활성 영역 내부에서 캐리어 국소화가 증가하여, 크기에 대한 의존성이 낮다. 그러나 청색 마이크로-LED에서는 작은 크기의 마이크로-LED가 더 큰 크기보다 낮은 EQE를 나타내는데, 이는 더 높은 측방 캐리어 확산 길이로 인해 결함을 경유한 비복사 재결합이 증가하기 때문이다.

적색 마이크로 LED(μ-LED)는 차세대 디스플레이를 위한 막대한 잠재력을 지니고 있으나, 특히 소형 크기에서의 효율은 여전히 중대한 과제로 남아 있다. 이를 해결하기 위해 우리는 국소화된 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 활용하여 적색 μ-LED의 성능을 극적으로 향상시키는 새로운 접근법을 제안한다. 우리의 전략은 정밀하게 설계된 나노홀 패턴에 막대형 Au 나노입자를 통합하는 것을 포함한다. 이 나노입자들을 능동 영역과의 LSPR 결합이 최적으로 되도록 배치함으로써, 광 추출 효율의 유의미한 향상과 복사(방사) 재결합률의 감소를 동시에 달성한다. 또한 표면 결함을 효과적으로 패시베이션하기 위해 화학적 처리를 수행하여 비복사 재결합 손실을 최소화한다. 이러한 상승적(synergistic) 접근은 광학 출력과 전기발광 강도 모두에서의 큰 증가를 이끌어 적색 μ-LED 성능의 한계를 확장한다. 나노홀 패턴을 적용한 μ-LED 칩은 무처리(bare) μ-LED에 비해 50 A/cm2에서 광학 출력이 약 2.32배 높고, 전기발광은 약 8.96배 높다. 나노홀 패턴 μ-LED에서 관찰된 낮은 수명 0.348 ns는, 빠른 LSP 채널을 통한 다중 양자우물(multi-quantum wells)에서의 높은 에너지 결합 효율(67%)과 함께, 본 새로운 접근의 근본 메커니즘을 설명해준다. 본 연구 결과는 고효율·고집적 적색 μ-LED를 구현하기 위한 유망한 경로를 제공하며, 더 우수한 휘도, 색 순도 및 에너지 효율을 갖춘 고급 디스플레이 기술로의 전환을 가능하게 할 것으로 기대된다.

본 연구는 열반사율(thermoreflectance, TR) 특성을 기반으로 하여 금속 증착 없이 GaN 소자의 표면 온도를 측정하는 정밀하고 재현 가능한 방법론을 제시한다. 반사율 특성에 맞춘 두 가지 TR 기법을 제안한다. 첫 번째 방법은 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛을 사용하여 반사율의 변화를 모니터링함으로써 표면 온도를 측정하며, 두 번째 방법은 GaN의 서브 밴드갭(sub-bandgap) 에너지에 해당하는 빛을 사용하여 반사율 스펙트럼의 프린지(fringe) 패턴 변화(i.e., 무늬 변화)를 모니터링한다. 두 방법 모두 입사광 파장의 적절한 선택을 통해 온도 의존적 반사율의 크기 및 비선형성을 향상시킴으로써, 넓은 온도 범위에 걸쳐 동일한 정확도로 표면 온도를 측정할 수 있다. 본 연구는 넓은 온도 범위에서 GaN 기반 고전력 전자 및 광전자 소자의 국소 온도를 비접촉적이며 비파괴적으로 측정하는 데 적용될 것으로 기대된다.