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GaN계 청색 발광 다이오드에서 저전류 스트레스 후의 광 및 전기적 특성 변화
김서희
1ㆍ윤주선
2ㆍ신동수
1†ㆍ심종인
21한양대학교 응용물리학과 우 426-791 경기도 안산시 상록구 사3동
2한양대학교 전자통신공학과 우 426-791 경기도 안산시 상록구 사3동
(2012년 3월 2일 받음, 2012년 4월 4일 수정본 받음, 2012년 4월 10일 게재 확정)
c-plane 사파이어 기판에서 성장된 1 mm2 대면적 InGaN/GaN 다중양자우물 청색 발광 다이오드의 스트레스 전후의 전기적, 광학적 특성 변화를 분석하였다. 스트레스 실험은 샘플 칩을 TO-CAN에 패키징하여 50 mA의 전류를 200시간 동안 인가하여 수행하였다. 스트레스 인가 전류는 다이오드의 순전압 특성을 이용한 접합온도(junction temperature) 측정 실험을 통하여 충분히 낮은 접합온도를 유지하는 값으로 선택하였다. 이렇게 선택한 50 mA의 전류 인가량에서 접합온도는 약 308 K였다. 308 K의 접합온도는 접촉저항(ohmic contact) 또는 GaN계 물질의 특성 변화에 영향을 주지 않는다고 가정하고 실험을 진행하였다. 스트 레스 전후에 전류-전압, 광량-전류, 표면 광분포, 파장 스펙트럼 및 상대적 외부양자효율 특성을 측정 및 분석하였다. 측정결과, 스트레스 후 저전류 구간에서의 광량이 감소하고 상대적 외부양자효율이 감소하는 현상을 관찰하였다. 우리는 이러한 현상이 결함의 증가로 인한 비발광 재결합률 증가로부터 기인함을 이론적으로 검토하고 실험결과의 분석을 통하여 보였다.
Optical and Electrical Characteristics of GaN-based Blue LEDs after Low-current Stress
Seohee Kim1, Joosun Yun2, Dong-Soo Shin1†, and Jong-In Shim2
1Department of Applied physics, Hanyang University, Sa 3-dong, Sangnok-gu, Ansan 426-791, Korea
2Department of Electronics and Communication Engineering, Hanyang University, Sa 3-dong, Sangnok-gu, Ansan 426-791, Korea
(Received March 2, 2012; Revised manuscript April 4, 2012; Accepted April 10, 2012)
We analyzed the changes in electrical and optical characteristics of 1 mm2 multiple-quantum-well (MQW) blue LEDs grown on a c-plane sapphire substrate after a stress test. Experiments were performed by injecting 50 mA current for 200 hours to TO-CAN packaged sample chips. We selected the value of injection current for stress through the junction-temperature measurement by using the forward-voltage characteristics of a diode to maintain a sufficiently low junction temperature during the test. The junction temperature at the selected injection current of 50 mA was 308 K. Experiments were performed under the assumption that the average junction temperature of 308 K did not affect the characteristics of the ohmic contact and the GaN-based materials. Before and after the stress test, we measured and analyzed current-voltage, light-current, light distribution on the LED surface, wavelength spectrum and relative external quantum efficiency (EQE). After the stress test, it was observed experimentally that the optical power and the relative EQE decreased. We theoretically investigated and experimentally proved that these phenomena are due to the increased nonradiative recombination rate caused by the increased defect density.
Keywords: Optical devices, Light-emitting diodes, Reliability
OCIS codes: (230.0230) Optical devices; (230.3670) Light-emitting diodes
†E-mail: [email protected]
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.
I. 서 론
GaN 물질을 기반으로 하는 청색 및 녹색 발광 다이오드 (light-emitting diode, LED)에서 고장 모드와 고장 메커니즘
분석은 발광 다이오드가 조명 산업을 주도하기 위해서 반드 시 밝혀지고 해결되어야 하는 중요한 과제들 가운데 하나이다.
현재 밝혀진 발광 다이오드의 성능저하 원인들로서는 비발광 재결합에 의한 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE)
DOI: http://dx.doi.org/10.3807/KJOP.2012.23.2.064
FIG. 1. V-I characteristics at 292 K measured by DC and pulse (duty rate = 0.1%) current sources.
[mA]
FIG. 2. Voltage changes measured at different temperatures under a constant current.
의 감소
[1], Mg-H결합의 생성에 의한 억셉터(acceptor) 농도의 감소
[2], 활성층으로 주입되는 운반자(carrier) 수 및 경로 변화
[3]
, 고온에 의한 형광체의 갈변 현상
[4], 고온과 단파장의 방사 에 의한 플라스틱 렌즈의 성능저하
[5], 정전기에 의한 p-n 접합 의 단락
[6]등이 있다. 이러한 원인들 중 비발광 재결합률의 상승으로 인한 내부양자효율의 감소는 칩 외부의 패키지 및 에폭시에 의하여 발생하는 성능저하 원인들과 구분되며, 저 전류, 고전류, 고온 스트레스 후의 측정 결과 모두에서 관측 되고 있다
[7]. 발광 다이오드의 높은 신뢰성 동작을 얻기 위해 서는 이러한 고장 요인이 해결되어야 하며 그에 선행하여 먼 저 발생 원인을 추적하고 정량적인 분석이 수행되어야 한다.
따라서 본 연구에서는 GaN계 청색 발광 다이오드에서 스 트레스 후의 비발광 재결합률 증가 현상에 대한 원인을 규명 하고 분석하는데 중점을 두었다. GaN계 청색 발광 다이오드 의 경우 고전류, 고전압, 고온 동작 시에는 비발광 재결합률 상승 외에도 많은 성능저하 원인들이 변수가 되므로 우리는 저전류 스트레스를 채택하여 고장 요인을 제한하였다. 저전 류 스트레스 전․후에 샘플의 전기적, 광학적 특성 변화를 분 석함으로써 고장 원인을 추적하였다.
II. 실험 조건
본 실험에서는 스트레스가 발광 다이오드의 활성층에 미치 는 영향만을 알아 보기 위하여, 칩 공정 후 에폭시가 없는 상태의 TO-CAN 패키지된 1 mm
2면적의 수평형 전극구조를 갖는 GaN계 청색 발광 다이오드를 사용하였다. 또한 전압, 전류, 온도, 습도, 빛 등의 과도한 스트레스에 의하여 샘플 내에서 발생될 수 있는 복합한 고장 원인을 제거하기 위하 여, 실험조건으로서 외부 빛이 차단된 상태로 상온에서 200 시간 동안 일정한 전류 50 mA(전류 밀도 = 5 A/cm
2)의 저전 류 스트레스를 인가하였다. 샘플의 전기적, 광학적 특성 변화 를 분석 하기 위해서 스트레스 인가 전후의 전류-전압(I-V), 광량-전류(L-I), 2차원 발광분포, 파장 스펙트럼, 외부양자효율 (external quantum efficiency, EQE)의 변화를 측정하였다. 또 한, pn접합 다이오드에서의 Shockley 전류-전압 방정식과 발 광층에서의 운반자 비율 방정식을 사용하여 스트레스 인가 에 의한 비발광 재결합률의 변화를 정량적으로 분석하고자 하였다.
III. 실험결과 및 분석
3.1. 발광 다이오드의 접합온도 측정
발광 다이오드의 pn접합부의 온도는 전기적, 광학적 특성 에 큰 영향을 미치는 중요한 특성인자이다. 따라서, 스트레 스 인가에 따른 pn접합부의 온도 추이를 정확히 파악하여 두 는 것은 매우 중요하다. 여기서는 일정한 전류구동 시 온도 상승과 접합전압 감소량과의 선형적 관계를 측정하여 스트 레스 인가에 따른 접합온도를 측정하였다. 본 논문에서 사용 한 발광 다이오드들은 동일 웨이퍼에서 동시에 제작된 칩으
로서 그 전기적, 광학적 특성이 모두 유사하기 때문에, 샘플 들 중 하나를 선택하여 접합온도 측정에 사용하였다 . 접합온 도 측정을 위해서 전류펄스발생기, 오실로스코프, 오븐, 디지 털 멀티미터를 사용하였다 .
전류공급원이 DC인 경우는 Joule 열에 의하여 발광 다이
오드의 pn 접합부에 온도 상승이 있고, duty rate 0.1%의 펄
스 전류공급원을 사용한 경우에는 pn 접합부에 온도 상승이
없다고 가정한다 . 이 가정하에서 동일한 전류에서 측정한
DC와 펄스에서의 동작전압 값의 차와 온도상승에 따른 동일
전류에서의 전압 변화량의 기울기 (K-factor)를 곱하여 접합온
도를 계산하였다
[8]. 그림 1은 DC와 duty rate 0.1%의 펄스
전류를 인가하며 전압-전류 특성을 측정한 결과이다. 그림 2
는 전류 값이 상수일 때 온도 변화에 따른 전압 변화량을 측
정한 결과이며 그 기울기는 -2.6 mV/K 이다. 그림 3은 그림
1과 그림 2의 측정된 결과들로부터 계산된 주입 전류량의 변
화에 따른 접합온도의 변화 경향이다. 접합온도가 높으면 접
합저항의 변화, 억셉터 농도의 변화 등 다른 고장 요인의 가
속화에 크게 영향을 미치므로 우리는 계산된 전류-접합온도
정보로부터 20℃ 미만의 적은 접합온도 상승을 가져오는 50
FIG. 4. Changes in I-V characteristics after different stress times.
TABLE 1. Fitted diode parameters
Before stress After 100h After 200h Ideality factor, n 2.06 2.11 2.12 Reverse saturation
current, Is [A] 2.8×10-25 1.11x10-24 1.25x10-24 Series resistance,
Rs [Ω] 1.8 1.7 1.5
FIG. 3. Junction temperature versus current obtained from experiments.
mA의 전류로 스트레스를 인가하였다. 이때의 접합온도는 약 308 K이다.
3.2. I-V 특성 변화
다이오드의 전류-전압 특성은 Shockley 방정식을 이용하여 표현이 가능하며 식 (1)과 같다.
exp
(1)
위에서 I, I
0, q, V
A, R
s, n, k, T는 각각 전류량, 역방향 바이 어스 포화전류(reverse-bias saturation current), 전자 한 개의 전 하량 , 다이오드에 인가된 전압, 직렬 저항, 이상 계수(ideality factor), Boltzmann상수, 온도를 나타낸다. 이상적인 다이오드 일 경우
n이 1이며 재결합 전류(recombination current)가 존재할 경우 이상 계수는 이론적으로 1~2까지의 값을 갖지만 터널링(tunneling) 전류가 존재하는 경우 2이상의 이상 계수 를 가질 수 있다. 직렬 저항 R
s는 동일 전압에서의 전자와 정 공의 수와 이동도(mobility)와 관련이 있다. 그림 4는 스트레 스 인가 시간 변화에 따른 전류-전압 특성 측정 결과의 변화 양상을 보이고 있다. 스트레스 시간이 지남에 따라서 역방향 과 저전압 구간에서 특정 전압에서 흐르는 전류량이 점점 증 가함을 알 수 있다. 표 1은 측정한 결과를 Shockley 방정식 에 맞추어 추출한 다이오드 파라미터들이다.
여기서 역방향 전류의 증가는 결함(defect)에 의한 생성 전류 (generation current)가 커지기 때문에 발생한다. 이러한 현상 은 결함 밀도(defect density)의 증가로 인하여 발생하며 표 1 에서 보이는 정전압에서의 이상 계수 증가와 관련이 있다.
이상 계수 증가는 정전압에서 결함에 의한 재결합 전류 또는 터널링 전류가 증가하고 있음을 나타내기 때문에 결함 밀도 의 증가가 전류-전압 특성 전체에 영향을 미침을 알 수 있다.
또한 표 1에서의 저항값 감소는 결함에 의한 재결합 전류가 증가함에 따라서 열 발생량이 증가하여 발광 다이오드의 온 도가 증가하고 이로 인하여 p-GaN의 Mg 도펀트(dopant)가 활성화됨으로 인하여 관측되는 현상으로 해석될 수 있다
[9].
3.3. 저전류 스트레스 전․후의 광특성 비교
고배율 현미경과 감쇄필터, CCD카메라를 이용하여 샘플 표면의 발광분포를 측정하였다. 이러한 발광분포를 통하여 활성층으로 주입되는 전류의 2차원적 분포를 유추할 수 있 다. 또한 파장 스펙트럼을 측정하여 첨두 파장 반치폭(full- width at half maximum, FWHM)의 변화 등을 관측하였다.
그림 5는 스트레스 인가시간 변화에 따른 발광분포의 변화 를 측정한 결과이나 큰 변화는 관측되지 않았다. 이러한 결 과는 n-GaN이나 ITO등에서의 전류 흐름이 스트레스 전․후에 동일함을 나타내며 활성층을 제외한 특정 에피층에서의 물 질의 특성 변화가 매우 미소함을 예상할 수 있다 . 이것은 스 트레스 후 국소 전기장 효과 (local field effect)에 의한 발광 다이오드 특성 변화가 발생하는 것이 아님을 의미한다 .
그림 6은 스트레스 인가 전․후의 파장 스펙트럼 측정 결과
를 정규화한 결과이다 . 스트레스 전․후 모두 첨두 파장의 청
색 편이 (blue shift) 현상과 단파장 쪽으로 파장 스펙트럼이
넓어지는 현상을 관측할 수 있다 . 이러한 현상은 띠 채움(band
filling)에 의한 효과로 잘 알려져 있다. 그림 6 (a)는 스트레
스 전의 파장 스펙트럼 결과이며, 1 mA 전류 주입시의 첨두
파장이 452.47 nm, 반치폭이 16.54 nm이며, 50 mA 주입시
의 첨두 파장이 448.99 nm이고 반치폭이 22.44 nm이다. 그
림 6 (b)는 200시간 스트레스 후의 파장 스펙트럼 결과이며,
1 mA 전류 주입시의 첨두 파장이 452.25 nm, 반치폭이
15.60 nm이며, 50 mA 주입시의 첨두 파장은 448.92 nm, 반
치폭은 23.97 nm이다. 여기서 스트레스 전의 첨두 파장의 변
화는 3.48 nm이며 200시간 스트레스 후의 첨두 파장 변화는
3.33 nm로 미소한 정도이지만 줄어드는 경향을 보였다. 또한
FIG. 5. Changes in light emission distribution after different stress times.
(a)
(b)
FIG. 6. Changes in emission spectrum as a function of injection current (a) before stress and (b) after 200h stress.
반치폭은 스트레스 전은 1 mA와 50 mA일 때의 차이가 5.9 nm이고 스트레스 후는 8.37 nm로 증가하는 경향을 보였다.
이러한 변화 이유에 대한 명확한 프로세스는 아직 밝혀지지 는 않았지만, 접합열의 증가로 인한 첨두 파장의 적색 편이 (red shift)와 반치폭의 증가로 설명될 수 있다. 결과적으로 실험 결과는 저전류 스트레스에 의하여 활성층의 상태가 변 했음을 나타내고 있다.
3.4. L-I 특성 측정을 통한 스트레스 전․후의 비발광 재 결합률 평가 및 비교
스트레스 인가 시간 변화에 따른 비발광 재결합률의 변화
정도를 평가하기 위하여 적분구를 이용하여 L-I 특성을 측정 하였다. 정상상태(steady state)에서 발광 다이오드의 운반자 비율 방정식은 아래의 식 (2)과 같이 표현이 가능하다.
(2)
여기서 J는 활성층으로 주입되는 전류밀도, d는 활성층의 두 께 , B는 두 분자 재결합 계수(bimolecular recombination coe- fficient), A는 비발광 재결합 계수(nonradiative recombination coefficient), n은 활성층의 전자 농도, p는 활성층에서의 정공 농도를 나타낸다 . 도핑 농도보다 주입되는 운반자 양이 상대 적으로 매우 높다고 가정하면 (n
≈p ≫ N
a, N
d) 식 (2)는 아래의 식 (3)와 같이 유도가 가능하다.
(3)
위의 식 (3)에서 An ≫ Bn
2이면 아래의 식 (4)과 같이 표현 이 가능하다.
≈
(4)
따라서 전류 J는 n에 비례하게 되기 때문에 광량 L = Bn
2는 J
2에 비례하게 된다. 이러한 결과의 양변에 log를 취하면 아래의 식 (5)와 같다.
log
∼ log (5)
또한 An ≪ Bn
2이면 식 (3)는 아래의 식 (6)와 같이 표현이 가능하다.
≈ (6)
식 (6)의 양변에 log를 취하면 아래와 같이 표현이 가능하다.
log
∼ log (7)
식 (5)와 식 (7)로부터 알 수 있듯이 우리는 L-I 측정 결과 를 log-log 형태로 관측하여 각 전류 주입 구간에서 기울기가 2에 가까우면 비발광 재결합이 우세하고 1에 가까우면 발광 재결합이 우세하다고 평가할 수 있다
그림 7 (a)는 스트레스 인가 시간 변화에 따른 L-I 특성 변
화를 적분구를 이용하여 측정하고 log-log 형식으로 정리한
결과이다. 표 2는 이러한 측정 결과의 각각의 구간에서 그
기울기를 맞춘 결과이다. S1은 기울기가 가장 낮은 전류대
역, S3구간은 기울기가 1에 가까운 전류대역, S2 구간은 기
울기가 점차적으로 1로 변해가는 구간으로 지정하였다. 저전
(a)
(b)
FIG. 7. (a) Changes in L-I characteristics after different stress times, (b) changes in relative output power (normalized to the output power before stress) after different stress times.
TABLE 2. Fitted slopes in S1, S2, and S3 regions of Fig. 8 S1
(0.05~0.5 mA)
S2 (0.5~5 mA)
S3 (5~50 mA)
Before stress 1.54 1.22 1.04
After 100h stress 1.55 1.26 1.06 After 200h stress 1.57 1.27 1.06
FIG. 8. Measured relative EQEs and fitted EQEs by the constant AB model.
TABLE 3. A and B coefficients obtained from the EQE fitting A [s-1] B [cm3s-1] Before stress 1×107 1×10-10 After 100h stress 2×107 1×10-10 After 200h stress 2.5×107 1×10-10
류 S1구간에서는 스트레스가 지속되며 기울기가 상승하는
경향을 보이고, 고전류 S3 구간에서는 기울기가 초기에 상승 후 변하지 않는 양상을 보였다. 저전류 구간에서 기울기가 1.54에서 1.57로 변화함은 비발광 재결합과 발광 재결합이 동시에 일어나면서 스트레스 인가 시간이 지남에 따라 비발 광 재결합 비율이 증가하고 있음을 나타낸다. 또한 고전류 구간(5~50 mA)에서 기울기가 변동이 거의 없고 1에 가까움 은 발광 재결합 비율이 지배적임을 보이고 있다.
그림 7 (b)는 그림 7 (a)에서와 같이 측정된 L-I 특성에서 스트레스 인가 전의 전류 변화에 따른 광량을 1로 정규화 시 킨 후 스트레스 후의 전류 변화에 따른 광량의 상대적 변화 를 관찰하기 위해 정리한 결과이다. 저전류 구간에서는 스트
레스 후 비발광 재결합 센터(nonradiative recombination center, NRC)의 증가로 인하여 광량의 감소가 상대적으로 커졌음을 알 수 있다. 고전류 구간에서는 결함 상태들이 포화되면서 광량의 감소가 줄어들지만, 증가된 비발광 재결합 센터로 인 해 누설 전류가 증가함을 관측할 수 있다. 이러한 결과들은 낮은 접합온도의 스트레스도 활성층의 비발광 재결합 센터 증가에 영향을 미침을 알 수 있다.
3.5. 외부양자효율 분석
스트레스 인가 시간의 변화에 따른 상대적 외부양자효율의 변화를 측정함으로써 발광 다이오드 광량의 감소 정도를 평 가하고 이를 AB모델을 사용하여 맞추어 비발광 재결합률과 발광 재결합률 그리고 전류 누설의 정도를 평가하였다
[10]. 외 부양자효율은 내부양자효율과 광추출효율 (extraction efficiency) 의 곱으로 나타내어지며, 그에 대한 AB 모델은 아래의 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.
(8)
위에서 η
e는 광추출효율을 의미한다. 광추출효율을 상수로 가정하고 A와 B값을 변화시키며 각 파라미터들의 외부양자 효율 곡선에서의 영향을 살펴보면 A가 증가할수록 외부양자효 율이 감소하며, B가 증가할수록 EQE가 증가함을 알 수 있다.
그림 8은 실제 측정된 상대적 외부양자효율 측정결과를
AB 모델식에 맞춘 결과이며 표 3은 그로부터 추출된 A와 B
FIG. 9. Schematic diagram explaining the addition of the f(n) term to the AB model and its physical meaning.
(a)
(b)
(c)
FIG. 10. Results obtained from the EQE fitting to the data obtained (a) before stress, (b) after 100h stress, and (c) after 200h stress (leakage represents the f(n) term).
값을 보이고 있다 . 스트레스를 인가하여 B 계수가 증가한다 고는 볼 수 없으며 또한 앞의 여러 분석 결과들이 스트레스 후 결함 밀도가 증가함을 보이고 있으므로, 우리는 그래프를 맞추는 과정에서 B 값을 상수로 고정하고 A 값을 변수로 하 였다. 그림 8의 외부양자효율 곡선에 저전류 구간은 위와 같 은 AB 모델로 맞추는 것이 가능하지만 고전류로 갈수록 예 상 수치를 벗어남을 알 수 있다. 따라서 우리는 활성층으로 부터의 누설 전류를 나타내는 추가적인 f(n) 항을 AB 모델에 추가하여 외부양자효율 결과에 대해서 그래프를 맞추어보았 다. 그림 9는 이러한 물리적 배경을 도식적으로 설명하여 주 고 있다. 그림 10 (a), (b), (c)는 각각 스트레스 인가 전, 100 시간 인가 후, 그리고 200시간 인가 후의 그림 9의 모델에 맞춘 결과를 보이고 있으며, 각 A, B 상수에 대한 값은 그림 8에서 추출된 값들을 사용하였다. 스트레스 시간이 증가하면 서 누설 전류가 증가하고 비발광 재결합 비율이 증가하는 경 향을 볼 수 있다.
이러한 현상은 모두 스트레스 시간 증가에 따른 결함 밀도 증가로 인한 활성층 내 결함의 증가로 해석될 수 있다. 그림 10은 결함의 증가가 A 계수의 증가를 가져오고, 이러한 A 계 수의 증가와 또 다른 누설 전류 과정, 즉 운반자 넘침 (overflow) 또는 터널링 누설 전류가 서로 밀접한 연관성이 있음을 뒷받침 한다.
IV. 결 론
발광 패턴에서 스트레스 후 특정한 광분포의 변화가 관측되 지 않았다 . I-V 특성 곡선, 파장 스펙트럼, L-I, 외부양자효율 실험 결과에서는 스트레스 인가 시간 변화에 따른 실험 결과 의 변화가 뚜렷이 관측되었다 . 이상 계수 상승, 직렬 저항 감 소 , 역전압에서의 전류값 증가, 광파워 감소, 외부양자효율 감 소가 관측되었으며 , 이러한 현상들은 모두 활성층의 결함 증 가를 의미한다 . 이러한 일련의 실험들을 분석함으로써 활성층 의 결함 밀도 증가로 인하여 비발광 재결합 센터가 증가하고 이로 인하여 비발광 재결합률이 증가함을 알 수 있었다 .
감사의 글
본 연구는 에타맥스에서 지원하는 “LED 스크리닝 장치 및 가속수명 시험 장치 개발”의 지원에 의해 작성되었습니다.
References
1. X. A. Cao, P. M. Sandvik, S. F. LeBoeuf, and S. D. Arthur,
“Defect generation in InGaN/GaN light-emitting diodesunder forward and reverse electrical stresses,” Microelectron. Reliab.
43, 1987-1991 (2003).
