|
대만 국립 치아오텅 대학(NCTU)과 에피스타(Epista)의 연구원들은 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 발광소자(LED) 내 ‘효율 드룹(droop)’ 효과를 줄이기 위해 두께가 변하는 양자 우물을 사용했다.
질화물 반도체는 녹색, 청색, 보라색과 자외선 등 짧은 파장들(<540 nm)의 광을 발생시키는 소자를 만들기 위해 사용되는 주된 물질이다. 이 소자들은 상대적인 낮은 전류에서 고효율로 작동한다. 그러나, 전류가 증가함에 따라 효율이 특히 더 긴 파장 영역(녹색)에서 여러 이유들로 인하여 떨어지는 경향이 있다. 이 문제를 극복하는 것은 저렴한 LED 조명 설치비로 적은 전력 소모의 작동을 가능하게 한다.
InGaN 우물과 GaN(혹은 다른 구성을 가지는 InGaN)의 다중 양자 우물 구조들은 한쪽에 홀들을 주입시키고 다른 쪽에 전자들을 주입하여 광을 발생시키는데 사용된다. 전자들이 이 다중 양자 우물 구조를 통과하는 동안 혹은 p-접촉/p-형 GaN 영역으로 과잉 공급(overshooting)되는 동안 홀들은 p-주입 접촉 근처에 모이는 경향이 있다.
p-접촉 쪽의 우물들을 더 넓게 만듦으로써 NCTU/Epistar 그룹은 액티브 영역에 전반에 발생되는 홀의 집중 현상(hole concentration)을 개선하기 위해 전력을 다하고 있다. 더 두꺼운 우물에서 홀의 전하 수명은 전하들이 다음 우물로 더 큰 비율로 이동하고 더 길어지는 경향을 보인다.
연구원들은 질화물 c-면 사파이어 기판 상에 금속 유기 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 LED 구조를 성장시켰다. MQW 구조들을 위한 베이스는 4μm n-GaN 버퍼에 따른 4nm GaN 핵생성 층(nucleation layer)이었다.
이 구조의 맨 위쪽에 위치한 초격자(superlattice)는 10주기 InGaN/GaN 쌍을 이용하여 형성된다. 정도의 차이가 있는 두께를 가지는 MQW (GQW) 구조는 10nm GaN 장벽의 InGaN (In 몰 비율 15%) 우물들로 구성된다. 우물이 두께는 1.5, 1.8, 2.1, 2.4, 2.7, 3nm이다.
p 접촉 층들은 20nm의 AlGaN(15% Al)과 200nm의 p-GaN의 전자 차단층으로 구성된다. 이러한 에픽텍셜 구조들은 투명한 인듐 틴 산화물(ITO) 접촉 층들로 구성되며, 300μm x 300μm LED 메사들로 형성된다. 접촉 패드들은 니켈-금으로 형성된다.
소자들의 전계 발광(EL) 시험은 그림 1과 같이 100A/cm2 전류 밀도까지 비교 시편보다 적색으로 이동된 GQW 소자를 보였다. 또한, 방출 너비는 더 넓어진다. 그러나 이 에너지 영역을 지나면 GQW 소자에서 증가하는 전류에 따라 EL 피크가 청색 쪽으로 이동하는 현상이 더 많이 나타난다. 이에 따라, 두 소자가 방출하는 파장들은 100A/cm2에서 대략 비슷해진다.
일반적으로 LED의 청색 이동 현상은 전자와 홀이 레벨 사이 에너지 차이가 더 커지고 이에 따라 광자 에너지 재결합이 증가하는 밴드 필링(band-filling) 효과에 기인한다. 또한, 전하의 스크린 효과도 원인이 될 수 있다. 이러한 효과들은 양자 구속 스타르크 효과(quantum-confined Stark effect : QCSE)에 의해 발생한다. 여기서, 압전 분극장들은 우물의 강화 성질(strained nature)에 의해 만들어진다. 방출의 반치폭(full-width at half maximum : FWHM)의 증가는 밴드 필링과 자기 가열에서 기인한다.
연구원들은 시뮬레이션에 기반한 GQW 소자들에서 증가된 청색 이동은 전류 밀도가 증가함에 따라 좁은 우물에서 발생하는 더 많은 재결합에 기인한다고 생각한다. 우물은 다소 다른 파장들을 방출하기 때문에 스펙트럼 피크의 대칭성은 구조의 재결합의 밸런스에 대한 정보를 준다.
일반적인 LED의 비대칭성 요소(AsF = FWHM/거리^2 , 거리는 낮은 파장 교차점에서 피크까지의 크리, 대칭 피크의 경우, AsF=1)는 전류가 1A/cm2 의 밀도에서 100A/cm2의 밀도까지 증가한 것과 같이 1.04에서 0.98까지 변화했다. GQW 소자들은 같은 영역에서 1.05에서 0.89까지 변한다. 낮은 AsF 값은 스펙트럼 분포에서 청색 끝에서 증가하고 적색 끝에서 감소한다.
이러한 파장과 선 폭에서의 많은 변화들은 연구원들이 조명 응용 제품들을 위한 비실용적인 GQW 콘셉트를 디자인하게 만든다. 이 연구그룹의 다음 연구는 이러한 바람직하지 않은 효과들을 제거하기 위해 우물에 인듐 양을 점차적으로 조절하는 것이다. 이는 더 넓은 우물의 인듐 양을 감소시킴으로써 가능하게 될 것이다.
연구원들은 그림 2와 같이 효율 드룹에서 효과를 측정했다. GQW의 광출력 전력은 비교 소자의 18.0mW와 비교하여 20A/cm2에서 24.3mW였다. 또한 점차적인 조절이 효율 드룹에서 시작되고 (30A/cm2 대비 2A/cm2 (비교 시편)) 그 지점 감소가 주는 (200A/cm2의 피크로부터16 % 드룹 대비 32%) 지점을 증가시킨다는 것을 발견했다.
연구원들은 이 향상된 홀 분포와 높은 전하 밀도를 나타내는 오제(Auger) 효과의 결과적인 감소가 다른 메커니즘에 비해 더 많은 광자들의 결합률을 이끈다고 제안하고 있다.
그림1 : 비교 시편과 GQW LED를 위한 전류 밀도의 기능을 가지는 FWHM와 평균 파장
그림 2 : 광출력 전력(L) 대 전류 밀도와 EL 효율의 비교
원문 >>
Varying wells to combat LED efficiency droop
Researchers at National Chiao-Tung University (NCTU) and Epistar Corp have used quantum wells with varying thickness to reduce ‘efficiency droop’ effects in indium gallium nitride (InGaN) blue light-emitting diodes (LEDs) [C. H. Wang et al, Appl. Phys. Lett., vol97, p181101, 2010].
Nitride semiconductors are the dominant material for making devices emitting light with shorter wavelengths (<540nm) of green, blue, violet and ultra-violet. These devices work at high efficiency at relatively low current but, as the current increases, the efficiency tends to fall off for various reasons, particularly with the longer-wavelength region (green). Overcoming this problem would enable lower-cost LED lighting installations to work with less power consumption.
Multi-quantum well structures with InGaN wells and GaN (or sometimes InGaN with a different composition) are used to create light emission, with one side injecting holes and the other electrons. It has been found that, while the electrons travel across the structure fairly evenly (or overshooting into the p-contact/hole source region), the holes tend to be concentrated near the p-injection contact.
By making the wells wider towards the p-contact, the NCTU/Epistar group hoped to improve the hole concentration across the active region. The hole carrier lifetime in thicker wells tends to be longer, allowing a larger proportion to move on to the next well.
The researchers grew their nitride LED structures using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on c-plane sapphire. The base for the MQW structures was a 4nm GaN nucleation layer followed by a 4μm n-GaN buffer.
On top of this, a superlattice was constructed using 10x InGaN/GaN pairs. The graded-thickness MQW (GQW) structure consisted of InGaN (In molar fraction 15%) quantum wells with 10nm GaN barriers. The well thicknesses were 1.5, 1.8, 2.1, 2.4, 2.7 and 3nm, as determined by the growth time. A reference LED with constant thickness wells was also produced with a well thickness of 2.25nm, a value that makes the active volume equal for the graded and ungraded structures.
The p-contact layers consisted of an electron-blocking layer of 20nm AlGaN (15% Al) and 200nm of p-GaN. These epitaxial structures with transparent indium tin oxide (ITO) contact layers applied were formed into 300μm x 300μm LED mesas. Nickel-gold was applied for the contact pads.
Figure 1: Average wavelength and FWHM as a function of current density for reference and GQW LEDs.
The electroluminescent (EL) testing of the devices showed the GQW device to be red-shifted relative to the reference up to 100A/cm2 current density (Figure 1). Also, the width of the emission line is wider. However, over this energy range the blue-shift with increasing current is greater in the GQW device, so that the emission wavelengths of the two devices are approximately equal at 100A/cm2.
Normally, LED blue-shift is attributed to band-filling effects making the energy difference between electron and hole levels greater (and hence increasing the recombination photon energy). Also, charge screening effects can play a role. These effects arise from the quantum-confined Stark effect (QCSE), where piezoelectric polarization fields are developed from the strained nature of the wells. Increases in the full-width at half maximum (FWHM) of emissions are often attributed to band filling and self-heating.
For the GQW devices, based on simulations, the researchers believe that the increased blue-shift is due to more recombination occurring in the narrower wells as the current density increases. Since the wells emit at somewhat different wavelengths, the symmetry of the spectral peak gives information about the balance of recombination across the structure.
The asymmetry factor (AsF = FWHM divided by twice the distance from the low wavelength intersect to the peak, giving 1 for a symmetric peak) for the regular LED changed from 1.04 to 0.98 as the current increased from a density of 1A/cm2 to 100A/cm2. The GQW devices change from 1.05 to 0.89 over the same range. The low AsF value shows increased contribution from the blue-end and decreased contribution from the red-end of the spectral distribution.
The researchers comment: ‘These enormous changes in wavelength and linewidth might make the design of the GQW concept impractical for lighting applications.’
Future work for the group could include grading the indium content of the wells to compensate somewhat for these undesired effects. This could be done by reducing the indium content of the wider wells.
Figure 2: Comparison of normalized EL efficiency and light output power (L) curves vs current density.
The researchers also measured the effect on efficiency droop (Figure 2). The light output power of the GQW was 24.3mW, compared with 18.0mW for the reference device, at 20A/cm2. It was also found that grading increases the point at which the efficiency droop starts (30A/cm2 vs 2A/cm2 in the reference) and reduces the fall off after that point (16% drop from peak at 200A/cm2 vs 32%).
The researchers suggest that the improved hole distribution and consequent reduction of Auger effects that kick in at high carrier concentrations lead to better recombination rates into photons rather than other mechanisms. | 