저전류 밀도에서 양자 효율 향상을 위한 InGaN 마이크로 LED 구조 최적화

요약

질화물 마이크로 발광 다이오드(마이크로 LED)의 저전류 밀도 동작 거동과 물리적 메커니즘에 대한 포괄적인 수치 연구를 보고합니다. 분극 효과 분석 결과 마이크로 LED는 저전류 밀도에서 더 심각한 양자 구속 스타크 효과(QCSE)를 겪으며, 이는 효율 개선과 안정적인 풀컬러 구현에 도전이 됩니다. 캐리어 수송과 매칭을 분석해 저전류 밀도에서 마이크로 LED의 최적 동작 조건과 구조 설계 최적화를 결정했습니다. 활성 영역 양자 우물(QW) 수를 줄이면 캐리어 매칭과 복사 재결합률이 향상돼 더 높은 양자 효율과 출력 전력을 얻을 수 있습니다. 전자 차단 층(EBL) 효과성을 논의했습니다. EBL 제거 시 전자 가둠과 정공 주입이 동시에 개선돼 저전류 밀도에서 마이크로 LED 발광이 크게 향상됩니다. 오제(Auger) 및 쇼클리-리드-홀(Shockley-Read-Hall, SRH) 재결합 과정을 조사했으며, 저전류 밀도에서 마이크로 LED의 결함 민감성이 강조됩니다.

요약: InGaN 마이크로 LED의 저전류 밀도 동작 시 분극 유도 QCSE, 캐리어 수송 및 매칭, 재결합 과정을 수치적으로 조사했습니다. 이러한 소자 거동과 메커니즘 이해를 바탕으로 효율적 마이크로 LED 이미시브 디스플레이를 위해 2 QW, 고도핑 또는 EBL 없는 구조, 높은 정공 농도 p-GaN 등 특수 설계된 에피택셜 구조를 제안합니다. 마이크로 LED의 결함 밀도 민감성도 강조했습니다.

서론

III족 질화물 기반 가시광 발광 다이오드(LED)는 신호, 광통신, 정보 저장, 백라이트, 디스플레이, 일반 조명(고체 조명) 등 광범위한 응용을 가집니다[1,2]. 2000년 Jiang과 동료들이 직경 12 μm InGaN 마이크로 디스크 LED를 최초 시연한 이래[3,4], 마이크로 LED는 고해상도 디스플레이, 가시광 통신, 생물의학, 센싱 분야에서 학계와 산업계 관심을 확대받고 있습니다[5-8]. 액정 디스플레이(LCD)와 유기 발광 다이오드(OLED) 대비 마이크로 LED는 작은 크기, 고해상도, 고발광 효율, 고휘도, 고색 순도, 긴 수명, 고응답 속도, 견고성 등 장점으로 차세대 디스플레이 기술의 가장 유망한 후보입니다[9,10]. 마이크로 LED 디스플레이 응용 시나리오는 고급 TV, 노트북, 휴대용 모바일 단말, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 투명 디스플레이 등입니다. Yole 추산에 따르면 마이크로 LED 디스플레이 시장은 2025년까지 3억 3천만 대에 달할 전망입니다[11].

기존 III족 질화물 LED 응용, 특히 고체 조명은 광출력 전력을 최대한 높이는 것을 요구합니다[12]. 지난 30년간 고출력 응용 동기로 질화물 LED 현대 연구는 에피택셜 구조 설계 최적화, 소자 동작 거동과 물리적 메커니즘 연구, 제작 기술 개선 등에서 대형 칩, 고작동 전류 밀도, 고입출력 전력에 주로 초점을 맞췄습니다[12,13]. 우선 질화물 LED 활성 영역은 초기 단순 헤테로구조와 단일 양자 우물(QW)에서 오늘날 5주기 QW 다중 양자 우물(MQW)로 진화했으며, 일부 상용 고출력 소자는 QW 수가 8-10에 이르기도 합니다[14-17]. EBL은 고주입 전류 밀도에서 전자 누설 차단을 위해 제안되었으나, 일정 수준 정공 주입 방해도 있습니다[18,19]. 기존 고출력 LED 가장 큰 이슈는 전류 밀도 증가에 따른 외부 양자 효율(EQE) 저하, 즉 효율 드롭(efficiency droop)입니다. 이 행동 내재 메커니즘은 고주입 캐리어 밀도에서 간접 오제 재결합과 관련됩니다[20]. 제작 측면에서는 박막 플립칩과 수직 주입 기하학이 질화물 LED 전력 레벨 확장에 개발되었습니다[21,22].

기존 대형 고출력 질화물 LED에 상당한 진전이 있었고, 일부 교훈은 마이크로 LED 연구에 활용될 수 있습니다. 그러나 마이크로 LED는 고출력 대응 소자와 여전히 크게 다릅니다. 마이크로 LED의 다른 동작 거동, 메커니즘, 조건은 다른 과제와 연구 경로를 초래할 수 있습니다[23,24]. 기존 LED에서 피크 EQE는 고전류 밀도에 위치하며 작동 전류 밀도는 피크 효율 이상으로 높습니다(> 30 A/cm²). 하지만 마이크로 LED 이미시브 디스플레이에서는 작동 전류 밀도가 훨씬 낮아 주로 0.02-2 A/cm² 범위입니다[24]. 이 저전류 밀도에서 기존 질화물 LED EQE는 매우 낮아 실용적 마이크로 LED 디스플레이 응용에 불충분합니다. V-피트 혜택을 활용해 전위 스크리닝과 정공 주입 강화를 이룬 Zhang 등은 0.8 A/cm²에서 피크 효율 24.0% 효율적 InGaN 기반 LED를 만들었습니다. 그러나 Zhang 등이 보고한 LED 칩은 여전히 기존 크기(1 mm × 1 mm)로 마이크로 LED보다 훨씬 큽니다[25]. 또한 많은 연구에서 칩 크기 축소에 따라 마이크로 LED 내부 양자 효율(IQE)과 EQE가 감소함을 보고했습니다[26-28]. 이 크기 의존적 저하는 주로 표면 재결합과 플라즈마 보조 건식 식각 유발 측벽 손상 탓으로, 이들 측벽 효과는 쇼클리-리드-홀(SRH) 비복사 재결합에 기여해 양자 효율을 감소시키고, 활성 영역 대비 더 큰 비표면/측벽 면적 때문에 칩 크기 축소에 따라 훨씬 심각해집니다[29-31]. 이 문제 해결을 위해 유전체 물질 측벽 패시베이션, 완충 플루오르화수소산 또는 광전기화학적 방법 습식 식각이 제안되어 마이크로 LED에서 이들 효과를 일정 수준 최소화했습니다[31-33]. 그러나 측벽 패시베이션으로 개선돼도 마이크로 LED(크기 < 60 μm) 피크 EQE는 여전히 25% 미만이며, 2 A/cm² 미만 전류 밀도에서 몇 %로 급격히 감소합니다[34,35]. 특히 InGaN 기반 적색 마이크로 LED는 강한 분극과 낮은 결정 품질로 현재 보고된 EQE가 1% 미만으로 매우 제한적입니다[0.2% for mini-displays. Appl Phys Express 14:011004" href="#ref-CR36">36]. 또한 칩 크기 축소에 따라 피크 EQE 위치도 더 높은 전류 밀도로 이동해 저전류 밀도 고효율 달성을 추가 방해합니다[26].

따라서 저전류 밀도 양자 효율 개선은 마이크로 LED 이미시브 디스플레이 응용의 큰 과제이자 핵심 과학 이슈가 되었습니다. 이를 위해 피크 효율을 높이고 효율 개시 위치를 적절한 낮은 전류 밀도로 이동해야 합니다. 이전 연구는 주로 측벽 패시베이션 등 제작 기술 개선에 초점을 맞췄습니다. 효율 개선을 위해 저전류 밀도 마이크로 LED 동작 거동과 물리적 메커니즘 연구도 필수적인데, 이는 아직 상대적으로 미개척 상태이고 이해가 부족합니다. 또한 저전류 밀도에서 최대 효율로 효율 개선 소자를 만들기 위해 마이크로 LED 에피택셜 구조도 재설계 및 최적화해야 하며, 이는 기존 대형 고입출력 대응 소자와 상당히 달라야 합니다. 현재 저전류 밀도 동작 마이크로 LED 이미시브 디스플레이용 특수 설계 에피택셜 구조는 여전히 부족합니다.

본 연구에서는 저전류 밀도 디스플레이 응용 마이크로 LED 독특한 과제를 강조하고 잠재적 해결책을 제안합니다. 반도체 소자 고급 물리 모델 소프트웨어[37]를 사용해 200-0.1 A/cm² 다양한 전류 밀도에서 InGaN 마이크로 LED 동작 거동과 물리적 메커니즘을 수치적으로 조사했습니다. 밴드 다이어그램, 파동함수, 분극장을 시뮬레이션 분석해 마이크로 LED QCSE를 검토했고, 저전류 밀도에서 더 심각한 QCSE를 확인했습니다. QW 수, p형 도핑 농도, AlGaN EBL이 캐리어 수송, 캐리어 매칭, 복사 재결합, 양자 효율에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다. SRH와 오제 재결합 효과와 메커니즘도 논의했습니다. 시뮬레이션과 분석을 바탕으로 저전류 밀도 동작 마이크로 LED용 최적화 에피택셜 구조를 제안합니다.

소자 구조 및 시뮬레이션 방법

본 연구에서는 직사각형 칩 크기 60×60 μm, 피크 발광 파장 약 465 nm인 일반적인 청색 InGaN 마이크로 LED 구조를 시뮬레이션에 사용했습니다. 그림 1에서 청색 마이크로 LED는 200 nm n-GaN 층, MQW 활성 영역, 20 nm p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL, 150 nm p-GaN 층으로 구성됩니다. MQW 활성 영역은 10 nm 두께 In₀.₀₅Ga₀.₉₅N 양자 장벽(QB)에 삽입된 2.5 nm 두께 In₀.₂₅Ga₀.₇₅N QW를 8, 5, 3, 2, 1주기로 구성합니다. MQW In 조성은 원하는 청색 발광 파장 달성을 위해 조정 및 최적화했습니다. n-GaN, p-AlGaN EBL, p-GaN 도핑 농도는 각각 2×10¹⁸ cm⁻³, 3×10¹⁸ cm⁻³, 1×10¹⁹ cm⁻³입니다.

마이크로 LED 광학 및 전기 특성은 반도체 소자 고급 물리 모델 소프트웨어[37]로 수치적으로 조사했습니다. 시뮬레이션에서 자발 및 압전 분극 유도 계면 전하 밀도 50%를 가정했습니다[38]. 특별히 언급하지 않는 한 SRH 수명과 오제 재결합 계수는 각각 100 ns, 1×10⁻³¹ cm⁶/s로 설정했습니다[39,40]. 밴드 오프셋 비율은 0.7/0.3로 가정[41], 광추출 효율은 70% 고정, 동작 온도 300 K입니다. 시뮬레이션에 사용된 기타 물질 파라미터는 참고문헌[42]에서 찾을 수 있습니다.

결과 및 논의

LED 월플러그 효율(WPE)은 다음과 같이 표현됩니다:

WPE = P_out / (I_op × V) = η_EQE × ħω / (e × V) = η_EQE × η_elect (1)

여기서 P_out은 광출력 전력, I_op는 동작 전류, V는 구동 전압, ħω는 광자 에너지, η_elect는 전기 효율입니다. EQE η_EQE는 전류 주입 효율(CIE) η_CIE, IQE η_IQE, 광추출 효율(LEE) η_LEE 곱으로 다음과 같이 기술됩니다:

η_EQE = η_CIE × η_IQE × η_LEE (2)

또한 ABC 모델[43]에 따르면 η_IQE는 다음과 같이 표현됩니다:

η_IQE = R_rad / (R_rad + R_SRH + R_Auger) (3)

여기서 R_rad는 복사 재결합률, R_SRH는 SRH 비복사 재결합률, R_Auger는 오제 재결합률입니다. 그림 1은 다양한 효율 종류와 관련 물리적 메커니즘 및 인자를 보여줍니다.

R_rad와 CIE를 최대화하고, 전기 효율과 LEE를 개선하며, SRH와 오제 재결합을 줄여 저전류 밀도 동작 마이크로 LED 전반적 효율을 개선해야 합니다. 이들 과제 해결을 위해 시스템 차원 접근이 필요합니다. 광추출을 제외하고 이 과제들을 다음 절에서 논의하며, 효율적 마이크로 LED 에피택셜 구조 잠재적 해결책도 제안합니다.

저전류 밀도 QCSE: 내부 분극장

분극 유도 QCSE는 질화물 LED IQE를 제한하는 주요 요인 중 하나입니다[44]. QCSE는 기존 대형 고출력 LED에 널리 연구되었지만, 마이크로 LED 특수 응용 맥락에서는 여전히 충분한 논의가 부족합니다. 따라서 이 중요한 효과를 먼저 조사했습니다. 여기 논의된 마이크로 LED 활성 영역은 기존 질화물 LED에 가장 흔히 사용되는 5주기 QW로 구성됩니다.

그림 2a는 200 및 0.1 A/cm²에서 5번째 QW 에너지 밴드 다이어그램과 연관된 1준위 전자 및 정공 파동함수를 보여줍니다. QB와 QW는 큰 밴드 벤딩을 겪어 전자 및 정공 파동함수 공간 분리를 유도합니다. 또한 저전류 밀도에서 밴드 벤딩이 더 강해 더 강한 QCSE를 나타냅니다. 이 현상은 저주입 전류 밀도에서 비평형 캐리어 감소로 스크리닝 효과가 약해지기 때문입니다(추가 파일 1: 그림 S1a-d 및 관련 논의 참조)[41]. 그림 2b에서 더 심각한 QCSE가 저전류 밀도에서 캐리어 파동함수 공간 분리를 강화해 더 낮은 복사 재결합률을 초래합니다. 분극 효과 유무, 즉 QCSE 유무에 따른 복사 재결합률과 EL 스펙트럼을 추가 계산해 전자-정공 분리가 저전류 밀도에서 발광을 정량적으로 얼마나 감소시키는지 보였습니다. 그림 2c, d에서 복사 재결합률 적분 강도와 EL 강도가 QCSE로 각각 약 84.0%, 72.3% 감소합니다. 이 결과들은 강화된 QCSE로 인해 마이크로 LED 효율 개선이 기존 고출력 대응 소자보다 더 어렵음을 나타냅니다.

또한 서로 다른 주입 전류 밀도에서 발광 파장 정확하고 안정적 제어는 마이크로 LED 디스플레이에 필수적인데, 이는 밝기, 색 정확도, 채도 등 중요 파라미터를 결정하기 때문입니다. 그러나 저전류 밀도 더 심각한 QCSE는 이를 큰 도전으로 만듭니다. 특히 더 높은 인듐 조성 필요 녹색 및 적색 마이크로 LED에 더 그렇습니다. 더 높은 인듐 조성 InGaN QW에서 증가된 밴드 벤딩과 더 강한 QCSE 직접 결과로 스크리닝 효과 때문에 파장 시프트 대 전류 밀도 의존성이 더 두드러집니다. 다양한 전류 밀도에서 InGaN 기반 적색, 녹색, 청색 마이크로 LED EL 스펙트럼을 추가 계산해 스펙트럼 시프트가 디스플레이 색점에 미치는 영향을 보였습니다. 추가 파일 1: 그림 S2에서 0.1-20 A/cm²에서 적색, 녹색, 청색 마이크로 LED 피크 파장이 각각 약 15.8, 6.6, 1.7 nm 청색 시프트됨을 보입니다. 적색, 녹색, 청색 마이크로 LED 결합으로 생성된 색점도 계산돼 추가 파일 1: 표 S1에 요약되었습니다. 그림 2e는 해당 1931-CIE (x, y) 색도 다이어그램을 보여줍니다. 명확히 RGB 마이크로 LED 방출 색이 전류 밀도 증가에 따라 녹색에서 청록색으로 크게 변합니다. 1931-CIE x 값은 0.1676에서 0.2084로, y 값은 0.3891에서 0.3106으로 변화합니다. 전류 밀도에 따른 이 상당한 색점 변화는 마이크로 LED 디스플레이 성능을 크게 저하시킵니다.

QCSE 억제 접근법으로 InGaN/AlGaN 초박막 초격자 배리어[45], InGaN/GaN/AlGaN/GaN MQW(GaN 중간층 배리어)[46], 주름진 MQW[47], MQW 전 변형 완화 층 삽입[48] 등이 제안되었습니다. 하지만 QCSE는 c-평면 질화물 물질 고유 특성에서 유도됩니다. 여러 MQW 조정만으로는 이 효과를 완전히 억제하기 부족합니다. 최근 비극성 질화물 LED에서 괜찮은 효율이 달성되었습니다. 비극성 GaN 기판 비용이 낮아지면 비극성 LED가 QCSE 감소와 안정적 풀컬러 구현의 이상적 해결책이 될 수 있습니다[49].

캐리어 수송 및 매칭

전자(J_n) 및 정공(J_p) 전류 밀도는 다음과 같이 표현됩니다:

J_n = σ_n |E| = n q μ_n |E| (4)

J_p = σ_p |E| = p q μ_p |E| (5)

여기서 σ_n, σ_p는 전도도, n, p는 농도, μ_n, μ_p는 전자 및 정공 이동도, E는 전기장입니다. 질화물에서 정공 농도는 전자보다 한 자릿수 낮고[50], 정공 이동도는 전자보다 두 자릿수 낮습니다[51]. 이 농도와 이동도 비대칭은 캐리어 플럭스 불일치(J_n > J_p)를 유도해 LED 성능을 두 가지 방식으로 저하시킵니다.

전류 주입 효율: 전류 주입 효율 η_CIE는 재결합 전류 J_recomb와 총 전류 J_total 비율로 다음 식과 같습니다[52]:

η_CIE = J_recomb / J_total = (J_n-recomb + J_p-recomb) / (J_n + J_p) = 2 × J_p / (J_n + J_p) (6)

J_recomb는 두 캐리어 전류 중 작은 쪽(정공 전류)에 의존합니다. 식 (6)은 캐리어 불일치(J_n > J_p)가 CIE 최대화를 제한함을 확인합니다.

복사 재결합률: 복사 재결합률 R_rad는 페르미 황금률로 다음 식과 같이 기술됩니다:

R_rad = C × ∫ dE_cv h ν_cv |M_T(E_cv)|² ρ_r(E_cv) f_v(1 - f_c) (7)

여기서 C는 상수, E_cv는 천이 에너지, h는 플랑크 상수, ν_cv는 생성광 주파수, ρ_r은 축약 상태 밀도, f_c, f_v는 페르미-디랙 분포, |M_T|²는 운동량 행렬 요소입니다[53]. 적은 정공과 추가 전자 축적은 QW에서 결정 격자 팽창과 인장 응력 축적을 유도합니다. 이 응력 변동으로 가격대 최대 근처 양자 준위 전하 밀도가 감소합니다. 이는 식 (7)에 따라 광학 천이 확률을 추가 감소시키고 R_rad를 줄입니다. 이런 방식으로 단일 QW 내 국소 캐리어 불일치도 IQE를 제한합니다. 이 주제 더 구체적 논의는 선행 보고서[54-56]에서 찾을 수 있습니다.

다음 절에서 QW 수, p형 도핑 농도, EBL 구조가 캐리어 수송에 미치는 영향을 분석해 최적 캐리어 매칭 조건을 결정합니다. 마지막으로 저전류 밀도 동작 효율적 마이크로 LED 디스플레이용 최적화 에피택셜 구조를 제안합니다.

5 QW 캐리어 불일치

먼저 5 QW 청색 마이크로 LED 캐리어 수송 특성을 시뮬레이션했습니다. 200 및 0.1 A/cm²에서 캐리어 농도 분포는 추가 파일 1: 그림 S3a, b에 나와 있습니다. 고전류 밀도와 저전류 밀도 모두에서 5 QW 내 불균일 분포를 관찰할 수 있습니다. 추가 파일 1: 그림 S3c, d에서 MQW 내 전자 이동도(684 cm²/V·s)가 정공 이동도(10 cm²/V·s)보다 두 자릿수 높음을 보입니다. 따라서 전자는 MQW에 주입된 후 재결합 참여 없이 그냥 통과해 전자 누설 문제와 낮은 CIE를 유발합니다[51].

그림 3a는 200 A/cm²에서 전자 및 정공 전류 밀도 분포를 보여줍니다. 총 정공 전류 밀도(217.4 A/cm²)는 전자(333.3 A/cm²) 65.2%에 불과해 심각한 캐리어 불일치와 낮은 CIE를 나타냅니다. 누설 전자 전류는 116.0 A/cm²로 복사 효율과 정공 주입 모두 악화시킵니다. 그림 3b에서 누설 전자 전류는 0.01 A/cm²에 불과하며 계산된 η_CIE는 0.1 A/cm²에서 95%로 높습니다. 이 결과들은 저전류 밀도에서 높은 CIE 달성이 더 쉽음을 나타냅니다. 그러나 5번째 QW에서 J_p가 J_n과 같아질 수 있는 경우를 제외하고, 다른 네 QW(QW 1, 2, 3, 4)에서 캐리어 불일치와 추가 전자 축적은 고전류 밀도와 저전류 밀도 모두에서 꽤 심각합니다. 200 A/cm²에서 이 네 QW 전자 전류 밀도는 정공 전류 밀도보다 각각 120, 43, 16, 5배 높습니다(그림 3a). 0.1 A/cm²에서는 각각 23, 9, 4, 2배 높습니다(그림 3b). 식 (7) 기반 이 큰 캐리어 불일치는 이 네 QW 복사 재결합률을 명백히 감소시킵니다. 따라서 이 네 QW 복사 재결합률은 5번째 QW 대비 200 A/cm²에서 각각 3.4%, 4.0%, 10.1%, 34.2%, 0.1 A/cm²에서 11.3%, 10.1%, 10.7%, 21.2%에 불과합니다. 이들 캐리어 불일치와 낮은 복사 방출이 결국 마이크로 LED 단일체 효율을 감소시킵니다.

캐리어 수송 및 매칭 영향 인자

QW 수: 기존 대형 LED 고전류 밀도 동작 시 5, 심지어 8-10주기 MQW가 높은 광출력 전력 달성에 필요합니다. 그러나 마이크로 LED 이미시브 디스플레이에서는 출력 전력이 훨씬 작고 작동 전류 밀도도 훨씬 낮습니다. 앞 절 논의대로 저전류 밀도에서도 5 QW 캐리어 불일치는 꽤 심각하며, 오직 한 QW만 최적 매칭 조건을 달성합니다. 이 관점에서 저전류 밀도 동작 마이크로 LED는 더 적은 QW 수 활성 영역이 캐리어 매칭 개선으로 효율 향상에 더 나은 설계입니다.

가정을 검증하기 위해 QW 수 마이크로 LED 영향을 조사했습니다. 그림 4a-f는 0.1 A/cm²에서 3 QW, 2 QW, 1 QW LED 캐리어 전류 밀도와 복사 재결합률을 보여줍니다. 전류 곡선은 단조 감소 경향으로 인해 한 교점(최적 캐리어 매칭 한 점, J_n = J_p)만 가집니다. 하지만 QW 수 감소 시 3 QW, 2 QW 경우 두 다른 QW에서 두 교점 달성 가능합니다(그림 4a, b). 즉, 더 적은 QW로 MQW 캐리어 불일치를 부분 극복할 수 있습니다. 특히 2 QW는 적절히 조정 시 두 QW 모두에서 캐리어 플럭스 완벽 매칭 달성 가능합니다. 복사 재결합률도 2 QW에서 3 QW, 5 QW보다 높은데, 더 적은 QW 활성 영역에서 캐리어 소비가 복사 재결합에 더 집중되기 때문입니다(그림 3d, 4d, e). 의심할 여지 없이 최적 캐리어 매칭은 1 QW LED에 있으며, 복사 재결합률도 1 QW에서 가장 높습니다(그림 4c, f).

그림 5a, b는 0-200 A/cm²와 0-10 A/cm² 전류 밀도 함수 IQE를 보여줍니다. 50 A/cm² 초과 전류 밀도에서는 QW 수 감소 시 IQE 감소합니다. 반면 약 30 A/cm² 미만 전류 밀도에서는 QW 수 감소 시 IQE 증가합니다. 0.1 A/cm²에서 8, 5, 3, 2, 1 QW IQE 값은 각각 55%, 62%, 69%, 77%, 78%입니다. 또한 그림 5b에서 피크 IQE 위치가 8 QW 6.0 A/cm²에서 2 QW 약 1.2 A/cm² 최저 전류 밀도로 이동합니다. 저전류 밀도(< 1 A/cm²) IQE 곡선도 QW 수 감소와 함께 더 가파르고 날카로워져 최고 효율 달성이 더 쉽고 빨라집니다. 이는 저전류 밀도 효율 개선에 매우 유리합니다. 이 IQE 경향 물리적 메커니즘은 더 적은 QW 수 활성 영역에서 더 나은 캐리어 플럭스 매칭과 더 집중된 강한 복사 방출로 설명됩니다. 그림 5c에서 8 QW 대비 5, 3, 2, 1 QW 0.1 A/cm² 적분 EL 강도는 각각 약 6.1%, 14.8%, 28.4%, 32.1% 증가합니다. 이 결과는 효율뿐 아니라 출력 전력도 QW 수 감소로 개선됨을 확인합니다.

시뮬레이션 결과 1 QW가 가장 높은 EL 강도를 가지며 저전류 밀도 동작 마이크로 LED 최적 구조일 수 있습니다. 그러나 실험적으로 평평한 표면과 날카로운 계면 가진 단일 QW 에피택시 성장은 어렵습니다. 또한 1 QW 구조에서 피크 IQE 위치는 2.9 A/cm²로 약간 증가하고 IQE 곡선 모양도 약간 변합니다. 이는 단일 QW 특수 상황으로 설명됩니다. 다른 QW와 비교해 EBL 인접 QW는 특수 분극 환경을 가지며 '문제 QW'로 간주됩니다. 이 주제는 AlGaN EBL 절에서 자세히 논의합니다. 이러한 이유들로 2 QW가 최적 활성 영역 설계여야 합니다. 1 QW와 유사한 좋은 캐리어 플럭스 매칭, 근접 IQE 값, EL 강도를 가지기 때문입니다. 따라서 다음 절 모든 시뮬레이션은 2 QW 마이크로 LED 기반입니다.

P-GaN 도핑 농도: p-GaN 내 다른 p형 도핑 농도 2 QW LED 성능을 추가 조사했습니다. 그림 6a에서 p-GaN 도핑 농도 1×10¹⁸ cm⁻³에서 5×10¹⁹ cm⁻³로 증가 시 0.1 A/cm² 두 QW 복사 재결합률이 각각 약 3.1%, 3.0% 추가 증가합니다. 그림 6b에서 총 정공 전류 밀도 0.157→0.162 A/cm² 증가, 누설 전자 전류 밀도 0.009→0.005 A/cm² 감소합니다. 주목할 점은 n-측 인접 QW 재결합 전류가 p-측 인접 QW보다 높다는 점입니다(그림 6b). 따라서 n-측 인접 QW 복사 재결합률도 p-측 인접 QW보다 약간 높습니다. 그림 6c에서 EBL 캐리어 에너지 배리어(전자/정공 준페르미 준위와 최고 전도대/최저 가격대 사이 에너지 거리)는 p-GaN 도핑 농도 차이에 거의 변하지 않습니다. 즉, 정공 주입은 도핑 농도 증가로 개선되지 않습니다. 그림 6d는 p-GaN 및 QW 평균 정공 농도입니다. p-GaN 정공 농도는 도핑 농도에 거의 지수 의존적입니다. QW 내부 정공 농도는 높은 도핑 농도로 약 2배 증가(1.59×10¹⁹→3.08×10¹⁹ cm⁻³)합니다. 이 결과들은 정공 농도 증가가 복사 재결합 개선 주요 기여임을 나타냅니다. 따라서 저전류 밀도에서도 질화물 p형 도핑 문제는 여전히 중요하며, 도핑 효율과 정공 농도 향상은 여전히 마이크로 LED 효율에 이롭습니다.

AlGaN EBL: 지난 수십 년간 10-20 nm p형 AlGaN EBL은 기존 질화물 LED 표준 구조가 되었습니다. 이 EBL은 고주입 전류 밀도에서 전자 누설 차단과 효율 드롭 억제 역할로 여겨집니다. 그럼에도 EBL은 여전히 LED에 매우 복잡하고 미묘한 구조입니다. Al 조성, AlGaN p형 도핑 효율, 밴드 오프셋 비율, 분극 효과 등 많은 중요 인자가 포함돼 각각 밴드 구조와 캐리어 수송에 상당한 영향을 미쳐 EBL 효과성을 결정합니다. EBL 구성 시 두께, 조성, 도핑 농도를 신중히 고려하고 최적화해 전자 가둠 강화와 정공 주입 차단 간 균형을 맞춰야 하며, 그렇지 않으면 반대가 발생해 LED 성능이 악화될 수 있습니다. 마이크로 LED에서 저전류 밀도 동작 EBL 효과성은 재고돼야 하며, 기존 고입출력 LED 경우와 다를 수 있습니다.

a. EBL 도핑 농도: 먼저 저전류 밀도에서 EBL 도핑 농도 캐리어 수송 영향을 조사했습니다. EBL 두께와 Al 조성은 20 nm, 0.15로 고정했습니다. AlGaN Mg 도펀트 낮은 용해도, 결정 열화, 과도핑 보상 효과 고려[50]해 EBL 도핑 농도 3×10¹⁸ cm⁻³로 먼저 설정했습니다. 그림 7a 해당 에너지 밴드 구조입니다. 명확히 EBL 존재에도 마지막 QW와 EBL 하향 밴드 벤딩으로 전자 가둠 불충분으로 전자 누설 여전히 발생합니다. 마지막 QB/EBL 계면 전자 준페르미 준위 아래 새로운 에너지 골짜기 나타납니다. 따라서 전자는 QW 탈출해 이 영역에 축적됩니다. 이 밴드 구조 왜곡은 EBL 상대적 비효과를 만드는데, 분극 효과 기여입니다. 그림 7c에서 강한 분극이 계면에 많은 전하 유도합니다. 마지막 QB/EBL 계면에서 불균형 분극 전하가 양성으로, p-측에서 n-측 방향 큰 정전기장이 마지막 QB에 형성돼 다른 QB와 EBL 전기장과 반대입니다. 이 정전기장들은 마지막 QB와 EBL 에너지 밴드를 끌어내립니다. 또한 마지막 QW와 마지막 QB 전기장 모두 전자 끌어당겨 활성 영역에서 p-층으로 몰아냅니다. 이는 캐리어 농도 다이어그램에서 관찰 가능합니다(그림 7d). 점선 검은 선이 활성 영역 탈출 전자 일부가 마지막 QB/EBL 계면 축적됨을 나타냅니다. EBL과 p-GaN 누설 전자 여전히 상대적으로 높습니다.

한편 EBL은 정공 주입 위해 480 meV 높은 퍼텐셜 배리어 도입합니다. 또한 그림 7a, c에서 분극 효과로 EBL/p-GaN 계면 영역에 정공 준페르미 준위 가까운 에너지 골짜기 나타납니다. 그림 7d 실선 검은 선 표시대로 대부분 정공이 EBL에 차단돼 EBL/p-GaN 계면 에너지 골짜기 축적됩니다. 이 비효율적 캐리어 수송으로 마지막 QW는 '문제 QW'로 간주되며, EBL은 전자 가둠 저능력, 정공 주입 불량 책임 있습니다. 기존 고입출력 LED 대비 이 분극 유도 EBL 기능 비효과성은 저전류 밀도 적은 캐리어 스크리닝 강화 분극 효과로 마이크로 LED에 특히 심각할 수 있습니다.

EBL 도핑 농도 증가는 전자 가둠과 정공 주입 개선 가능한 밴드 엔지니어링 방법입니다. AlGaN EBL Mg 도펀트 활성화 에너지는 GaN보다 높으므로, 유사 도핑 농도에서도 EBL 활성 정공 농도 p-GaN보다 훨씬 낮습니다. 낮은 정공 농도는 정공 준페르미 준위와 가격대 분리 추가 확대해 배리어 높이 증가시킵니다. 이 분석 기반 EBL 도핑 농도 p-GaN보다 훨씬 높아야 합니다. 실제 실험 도핑 한계 고려해 6×10¹⁹ cm⁻³ 새 EBL 도핑 농도 선택했습니다. 그림 7b에서 도핑 농도 증가로 정공 준페르미 준위 정렬로 EBL 가격대 상승, 정공 에너지 배리어 281 meV 감소. 또한 높은 p형 도핑은 전자 준페르미 준위 전도대 대비 하강시켜 전자 누설 유효 배리어 1175 meV 증가. 이 변화들 전자 가둠과 정공 주입 개선. 그림 7d에서 3×10¹⁸ cm⁻³ 대비 활성 영역 정공 농도 크게 증가, EBL과 p-GaN 누설 전자 거의 0 감소. 그러나 EBL/p-GaN 계면 에너지 골짜기 여전히 존재. 또한 가격대 상승은 마지막 QB/EBL 계면 정공 축적 새 에너지 골짜기 도입, 그림 7d 정공 농도 분포 확인. 이 에너지 골짜기들 정공 QW 주입 방해해 높은 도핑 농도 이점 상쇄.

b. EBL Al 조성: 도핑 농도 증가 대비 AlGaN EBL Al 조성 감소는 저전류 밀도 캐리어 수송 개선 더 쉽고 효율적 방법일 수 있습니다. EBL 효과성은 Al 조성, 밴드 오프셋, 분극 효과에 민감하게 의존합니다. EBL Al 조성 증가는 마지막 QB/EBL 밴드 오프셋 증가로 전자 배리어 높이 증가시킵니다. 그러나 그림 8a에서 계면 분극 유도 전하도 이에 따라 증가해 전자 배리어 높이를 끌어내립니다. 두 메커니즘이 전자 가둠에 반대 효과.

이 분석 기반 2 QW 마이크로 LED 다양한 EBL 구조 200, 0.1 A/cm² 캐리어 수송 조사했습니다. 다양한 EBL 유효 에너지 배리어 높이 결과 표 1 요약. 우선 저전류 밀도 전자, 정공 에너지 배리어 모두 고전류 밀도 경우보다 훨씬 높은데, 적은 비평형 캐리어 개체군 때문. 높은 에너지 배리어는 전자 가둠 개선하지만 저전류 밀도 정공 주입 심각 방해. 이는 마이크로 LED 캐리어 수송에 EBL 영향이 기존 고입출력 LED보다 훨씬 큼 의미. 표 1은 상대적 낮은 EBL Al 조성에서 전자 배리어 Al 조성 증가와 함께 감소, 즉 높은 Al 조성 도입 밴드 오프셋 증가보다 분극 유도 전도대 하향이 더 큼. 조성 추가 증가 시 전자 배리어 조성 따라 증가, 밴드 오프셋 분극 효과 지배적. 고전류 밀도 대비 이 전환점 조성 저전류 밀도에서 덜 캐리어 스크리닝 강화 분극 효과로 더 높음. 반면 마지막 QB/p-GaN 본래 밴드 오프셋과 밴드 벤딩으로 EBL 없이도 전자, 정공 에너지 배리어 존재. 200 A/cm²에서 조성 0.20 미만 시 전자 에너지 배리어 EBL 없는 경우보다 낮지만 정공 배리어 약 64 meV 높음. 0.1 A/cm²에서 조성 0.20 초과해도 AlGaN EBL 전자 배리어(523 meV) EBL 없는 경우(674 meV)보다 151 meV 낮지만 정공 배리어 409→485 meV 약 76 meV 증가. 이 결과들 잘못된 조성 EBL이 전자 가둠과 정공 주입 모두 악화 가능, 특히 저전류 밀도 동작 마이크로 LED에 나타냄.

심층 분석 위해 Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N EBL과 EBL 없는 구조 대표 밴드 구조 그림 8b, c 도시. EBL 마지막 QB/EBL 계면 전자 축적, EBL/p-GaN 계면 정공 축적 두 에너지 골짜기 도입, 그림 8d 캐리어 농도 다이어그램 확인. 따라서 이 구조 전자 가둠과 정공 주입 불량. EBL 제거 시 그림 8c에서 전자 에너지 배리어 증가, 전자 추출·축적 에너지 골짜기 사라짐. 이 변화들 전자 누설 더 효과적 방지, 그림 8d 확인. 동시에 정공 주입 배리어 높이 감소, EBL/p-GaN 계면 에너지 골짜기 제거. 따라서 정공 큰 장애 없이 직접 QW 수송, 그림 8c, d 확인.

위 면밀 조사로 EBL 없는 구조가 저전류 밀도 동작 마이크로 LED 더 나은 설계일 수 있음 시사. 시뮬레이션 결과 제안 지지. 그림 8e 0.1 A/cm² 다양한 EBL 구조 캐리어 전류 밀도. EBL Al 조성 0.15→0.04 감소 시 총 전자, 정공 전류 밀도 각각 0.167, 0.159 A/cm²에서 0.225, 0.225 A/cm² 증가. 게다가 EBL 완전 제거 시 총 전자, 정공 전류 밀도 모두 0.528 A/cm²로 크게 증가, Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL 대비 약 3배. 이 향상 개선된 전자 가둠과 정공 주입 기여.

그림 8f 저전류 밀도 IQE 곡선. EBL Al 조성 0.15→0.04 감소 시 개선된 캐리어 수송으로 IQE 값 현저 증가. 그러나 EBL 제거 시 Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL 대비 IQE 값 약간 감소. 이는 두 QW 캐리어 매칭으로 설명. 그림 8e 녹색 화살표 표시대로 Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL에서 두 QW 모두 완벽 캐리어 매칭 발생. EBL 제거 전류 밀도 증가로 첫 번째 QW 전자 전류 밀도 정공보다 약간 높아 캐리어 매칭 약간 깨짐. 따라서 한 QW 캐리어 불일치로 IQE 약간 감소.

EBL 없는 구조 우수성 여전히 개선된 캐리어 수송으로 현저. 그림 8g 0.1 A/cm² 적분 EL 강도 EBL 없는 마이크로 LED Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N, Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N, Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL 대비 각각 3.53, 3.23, 2.38배 높음. 또한 그림 8g 인셋에서 1 A/cm², 0.1 A/cm² 구동 전압 EBL 제거로 각각 약 0.53 V, 0.57 V 감소. 전기 효율 개선해 최종 WPE 증가. EBL 없는 구조가 저전류 밀도 동작 마이크로 LED 더 나은 설계임 추가 확인 위해 최대 알려진 효율 보고 청색 마이크로 LED 구조 사용 또 다른 시뮬레이션 수행. 결과와 논의 보충 자료(추가 파일 1: 그림 S4a-d) 참조.

저전류 밀도 동작 마이크로 LED 최적화 구조

위 시뮬레이션과 분석 기반 저전류 밀도 동작 효율적 마이크로 LED 이미시브 디스플레이용 특수 설계 최적화 에피택셜 구조 제안, 그림 9 도시. 세 원칙 준수 필요. 첫째, 기존 대형 고출력 질화물 LED와 대조적으로 마이크로 LED QW 수 단 두 개로 줄여야 함. 더 나은 캐리어 매칭 조건, 더 집중된 복사 방출, 더 높은 IQE와 WPE 가짐. 둘째, 질화물 전자 대비 상대적 낮은 정공 농도와 이동도로 p형 도핑 여전히 강화 필요. 더 효율적 p형 도핑 전략 요구. 셋째, 캐리어 수송과 매칭 개선 위해 AlGaN EBL 도핑 농도 크게 높이거나 AlGaN EBL 완전 제거. AlGaN EBL 없이 전자 가둠, 정공 주입, 캐리어 매칭, IQE, WPE 저전류 밀도에서 크게 개선 가능.

오제 재결합 및 SRH 비복사 재결합

식 (3) 기반 복사 재결합 외 SRH와 오제 재결합도 LED IQE 핵심 역할. 따라서 마이크로 LED SRH와 오제 재결합 효과와 메커니즘 조사 중요. 이 부분에서 2 QW LED 구조 사용, SRH 수명 외 모든 시뮬레이션 파라미터 방법론 동일.

무시 가능한 오제 및 두드러진 SRH 재결합

SRH 재결합률 식 (8)-(10) 표현[57]:

R_SRH = (np - n_i²) / [τ_p(n + n_i exp(E_T/kT)) + τ_n(p + n_i exp(E_T/kT))] (8)

τ_p = 1/(c_p N_t), τ_n = 1/(c_n N_t) (9)

c_p = σ_p ν_p, c_n = σ_n ν_n (10)

여기서 n_i 고유 캐리어 농도, τ_p, τ_n 정공/전자 SRH 수명, E_T 트랩 준위와 고유 페르미 준위 에너지 차이, c_p, c_n 전자/정공 포획 계수, N_t 트랩 밀도, σ_p, σ_n 전자/정공 포획 단면적, ν_p, ν_n 전자/정공 평균 열속도. 식 (8)-(10) 기반 트랩 SRH 재결합 밀도, 포획 단면적, 에너지 준위로 완전 특정.

오제 재결합률 식 (11):

R_Auger = (C_n n + C_p p)(np - n_i²) (11)

C_n, C_p 오제 재결합 계수.

비도핑 QW 주입 정공, 전자 농도 고유 캐리어 농도 훨씬 높음(시뮬레이션 결과 외부 주입 전류 없을 때 QW 최고 캐리어 농도 약 10⁷ cm⁻³), SRH와 오제 재결합률 식 (12), (13) 단순화:

R_SRH = np / (τ_p n + τ_n p) (12)

R_Auger = (C_n n + C_p p) np (13)

식 (12), (13) 명확히 R_SRH 캐리어 농도 1제곱 비례, R_Auger 3제곱 의존. 즉 R_SRH 저전류 밀도 민감, R_Auger 고전류 밀도 지배적.

이 이론 분석 시뮬레이션 결과 일치. 그림 10a, b 200, 0.1 A/cm² 계산 복사, SRH, 오제 재결합률. 고전류 밀도 오제 재결합률(약 0.8-1.4×10²⁹ cm⁻³/s) 복사율(약 4.2-6.0×10²⁹ cm⁻³/s)과 비교 가능. 사실 고구동 전류 효율 드롭 실질적 문제가 오제 재결합 탓으로 널리 인정[20]. 반면 저전류 밀도 오제 재결합률 복사 재결합(약 3.7-4.0×10²⁴ cm⁻³/s)보다 두 자릿수 낮음(약 6.3-7.2×10²² cm⁻³/s). 따라서 오제 재결합 저전류 밀도 무시 가능. 반대로 전류 밀도 감소 시 SRH 재결합률 200 A/cm⁻² 작은 값(복사 재결합 대비 두 자릿수 낮음)에서 0.1 A/cm² 복사 방출 비교 수준 상대적 증가. 결과적으로 저전류 밀도 동작 마이크로 LED 오제 재결합 아닌 SRH 또는 결함 재결합 개선 필요.

저결함 밀도 요구사항

식 (9) SRH 수명 τ_p, τ_n 결함 밀도 N_t 반비례. 따라서 시뮬레이션 SRH 수명 단순 변경으로 결함 밀도 효과 추정 가능. 그림 10c 다양한 SRH 수명 계산 SRH/복사 재결합률 비율. SRH 수명 150→50 ns 감소, 즉 결함 밀도 증가 시 SRH/복사 비율 200 A/cm² 0.01→0.03 약간 증가, 0.1 A/cm² 0.15→0.43 크게 증가. 이는 훨씬 더 큰 캐리어 비율이 저전류 밀도 트랩 결함 소모됨 의미. 따라서 효율 저전류 밀도 고전류 밀도보다 결함 밀도 훨씬 더 민감. 그림 10d, e IQE 결과 이 경향 확인. SRH 수명 150→50 ns 감소 시 IQE 200 A/cm² 약 0.01 감소, 0.1 A/cm² 약 0.17 급격 감소. 또한 그림 10f SRH 수명 감소 시 피크 IQE 위치 3.1 A/cm²→9.0 A/cm² 더 높은 전류 밀도 이동, IQE 곡선 덜 가파르고 둔해짐. 즉 임계/개시 전류 증가. 이는 저전류 밀도 마이크로 LED 효율 개선에 불리.

기존 대형 고출력 LED 고전류 밀도 동작 대비 저전류 밀도 동작 마이크로 LED 결함 밀도 훨씬 더 민감, 결함 재결합 최소화 고효율 달성에 최우선. 따라서 마이크로 LED 기존 LED보다 훨씬 높은 결정 품질 물질 요구, 에피택셜 성장과 소자 제작 커뮤니티 큰 과제 제기.

결론

요약하면 InGaN 마이크로 LED 저전류 밀도 동작 거동, 메커니즘, 조건 수치적 조사, 마이크로 LED 디스플레이용 특수 설계 최적화 에피택셜 구조 제안. 분극 효과 분석 마이크로 LED 저전류 밀도 더 심각한 QCSE 겪음. 따라서 효율 개선과 발광 색점 제어 더 어려움. 캐리어 수송과 매칭 분석 마이크로 LED 동작 조건 결정. 더 적은 QW 수 캐리어 매칭 개선 저전류 밀도 더 높은 효율과 출력 전력 유도. 마이크로 LED EBL 효과성 분석, 저전류 밀도 EBL 제거 시 전자 가둠과 정공 주입 동시 개선 발견. 또한 시뮬레이션 오제 재결합 무시 가능, SRH 재결합 저전류 밀도 효율 큰 영향, 물질 결정 품질과 소자 제작 공정 더 높은 요구 제기. 본 수치 연구 효율적 마이크로 LED 디스플레이 생성 가치 있는 가이드 제공, 향후 이 분야 연구 촉진 기대.

데이터 및 자료 가용성

현재 작업 데이터와 분석은 합리적 요청 시 교신 저자들로부터 이용 가능.

약어

Micro-LED:

마이크로 발광 다이오드 (Micro-light-emitting-diode)

QCSE:

양자 구속 스타크 효과 (Quantum-confined Stark effect)

EBL:

전자 차단 층 (Electron blocking layer)

SRH:

쇼클리-리드-홀 (Shockley–Read–Hall)

LCD:

액정 디스플레이 (Liquid–crystal display)

OLED:

유기 발광 다이오드 (Organic light-emitting diode)

TV:

텔레비전 (Televisions)

VR:

가상 현실 (Virtual reality)

AR:

증강 현실 (Augmented reality)

QW:

양자 우물 (Quantum well)

MQWs:

다중 양자 우물 (Multiple quantum wells)

EQE:

외부 양자 효율 (External quantum efficiency)

IQE:

내부 양자 효율 (Internal quantum efficiency)

QB:

양자 장벽 (Quantum barrier)

WPE:

월플러그 효율 (Wall-plug efficiency)

CIE:

전류 주입 효율 (Current injection efficiency)

LEE:

광추출 효율 (Light extraction efficiency)