TCAD 시뮬레이션을 이용한 InGaN 양자우물 마이크로 LED 효율 개선 연구

Abstract

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.