반도체학과 재학생이 알려주는 LED

안녕하세요. 이번 포스팅에서는 현대 사회의 많은 곳에서 사용되고 있는 반도체 소자 중 하나인 발광 다이오드에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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1. 발광 다이오드란?

2. 직접천이, 간접천이

3. 재결합 (recombination)

4. 빛의 방출 원리

5. 양자우물 (Quantum well)

6. 청색 발광 다이오드 (Blue LED)

7. OLED (유기 발광 다이오드)

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1. 발광 다이오드란?

토머스 에디슨이 전구를 발명한 이래로 인류는 언제나, 어디에서 빛을 활용하며 생활하고 있습니다. 하지만, 전구의 명확한 단점 때문에 전구의 대체재를 찾아야 했습니다. 그 전구의 대체재가 바로 발광 다이오드(Light Emitting Diode)라고 하는 것입니다. 전구에 비해 작고, 가볍고, 빛의 효율이 좋은 발광 다이오드는 현재 TV, 자동차, 핸드폰 등 현재 모든 물건에 들어가 있습니다. 이러한 이유로 발광 다이오드의 발명은 제2의 전구의 발명과 같다고 하는 사람들도 있습니다.

발광 다이오드 (LED)

발광 다이오드는 반도체를 이용해서 제작을 합니다. 앞서 알아본 PN 접합에 전기를 흘려 광자를 발생시키고 그 광자가 빛을 내는 원리를 가지고 있습니다. 반도체의 밴드갭 조절과 접합재료의 다양성을 통해 여러 가지 색을 낼 수 있어 이 또한 전구와 다른 특장점을 가집니다.

 

2. 직접천이, 간접천이

전자가 에너지를 받아 여기(exciting)되면 전자는 가전자대에서 전도대로 올라가고 곧 안정된 상태를 찾아 가 전자대로 내려옵니다. 이때 전자의 메커니즘을 E-K다이어그램에서 직접천이와 간접천이라는 메커니즘으로 찾아볼 수 있습니다.

 

* 직접천이 (direct bandgap)

반도체의 E-K 다이어그램에서 전도대의 최솟값과 가전자대의 최댓값이 일치하는 경우입니다. 직접천이는 전자의 이동이 빨라 전체 소자의 반응속도도 빨라지고 전자의 이동시 방출하는 에너지가 빛으로 방출되어 발광 다이오드와 같은 소자에 이용됩니다. 주로 화합물 반도체에서 찾아볼 수 있고 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 등이 있습니다.

 

* 간접천이 (indirect bandgap)

반도체의 E-K다이어그램에서 전도대의 최솟값과 가전자대의 최댓값이 일치하지 않는 경우입니다. 간접천이는 전도대의 전자가 가전자대로 이동할 때 바로 가지 못하고 어딘가를 거쳐갑니다. 이 때문에 반응속도가 느리고 에너지를 빛이 아니라 열에너지의 형태인 포논(phonon)으로 방출합니다. 간접천이는 이러한 특징으로 solar cell과 같은 곳에 쓰입니다. 순수 반도체인 규소(Si), 저마늄(Ge)와 화합물 반도체인 질화알루미늄(AlN) 등이 있습니다.

직접천이(좌), 간접천이(우)

3. 재결합 (recombination)

순방향 바이어스를 가했을 때 다이오드 내에서 전자는 p영역으로, 정공은 n영역으로 이동합니다. 이때 접합의 공핍 영역에서 캐리어의 재결합(recombination)이라는 현상이 일어납니다. 재결합은 전도대의 전자가 가전자대로 떨어져 정공과 결합을 하는 현상입니다. 재결합을 하면 전자와 정공의 변화된 에너지가 밖으로 방출이 되는데 주로 빛과 열로 방출이 됩니다.

 

재결합은 주로 밴드 간(band to band), SRH, 오제(Auger)의 3가지의 메커니즘이 있습니다.

 

* Band-to-Band recombination

주로 직접천이 반도체에서 볼 수 있는 경우입니다. 전도대의 전자가 가전자대로 바로 떨어져 전자가 천이 시 광자가 튀어나오는 경우로 에너지가 빛으로 방출되어 발광하는 특징을 보입니다. LED와 같은 곳에 사용이 됩니다. Radiative recombination의 종류 중 하나입니다.

 

* SRH (Shockley-Read-Hall) recombination

인위적으로 트랩을 만들어 주어 재결합을 하는 경우입니다. 결정의 격자와 결함 그리고 불순물의 에너지 준위를 통해 밴드갭 중앙 근처에 ET를 만들어 전도대의 전자와 가전자대의 정공을 트랩에서 재결합시킵니다. 결합에 쓰인 에너지는 광자가 아닌 열에너지인 포논의 형태로 나오게 됩니다. 주로 간접천이 반도체에서 볼 수 있는 메커니즘입니다. Non radiative recombination의 종류 중 하나입니다.

 

* Auger recombination

반도체가 고농도로 도핑되었거나 High Level Injection의 경우에 일어나는 메커니즘입니다. 전도대의 두 전자가 서로 충돌하여 한 전자는 에너지를 잃고 가전자대로 떨어지고 다른 전자는 에너지를 얻어 더 높은 에너지 준위로 이동하였다가 시간이 지남에 따라 에너지를 잃고 계단식으로 전도대로 돌아옵니다. 이때 에너지를 얻었다가 돌아오는 전자는 포논을 방출합니다. 이 재결합 역시 Non radiative recombination의 종류 중 하나입니다.

 

4. 빛의 방출 원리

발광 다이오드는 주로 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 갈륨 질소(GaN)등 직접천이(direct bandgap) 반도체로 만들어집니다. 재결합의 과정에서 에너지가 빛으로 발산이 되어 발광합니다.

 

밴드갭에 따라 전자가 이동하는 거리가 달라지고 이에 따라 방출되는 빛의 파장이 달라집니다. 방출 파장은 다음과 같이 나타납니다.

화합물 반도체의 종류와 조성의 비율에 따라 다양한 파장의 발광 다이오드를 제작할 수 있습니다. 따라서 현재 발광 다이오드 산업에서는 얼마나 순수한 색을 나타낼 수 있는지가 주된 연구 주제로 떠오르고 있습니다.

파장에 따른 반도체 물질

5. 양자우물 (Quantum well)

양자우물은 pn 접합에서 n-type과 p-type 사이에 우물을 형성해주는 것을 말합니다. 이중 이종 접합구조(Double Heterostructure)를 통해 pn접합에 사용되는 물질보다 작은 밴드갭을 가진 물질을 얇은 박막의 형태로 사이에 집어넣어 전자와 정공이 우물에 쌓이게 만드는 것입니다. 이렇게 쌓인 많은 양의 전자와 정공은 한 번에 재결합을 하여 더 강한 빛을 발산하는 것입니다. 또한, 양자우물의 두께에 따라 양자 구속 효과에 의한 캐리어의 천이 에너지를 조절하여 소자의 전체 출력을 조절할 수 있습니다.

이종접합구조 [출처 : Rev. Mod. Phys. 87, 1139, Shuji Nakamura]

 

6. 청색 발광 다이오드 (Blue LED)

청색 LED는 현재 모든 LED의 기본이 되는 소자입니다. 하지만 최근까지 청색LED는 제작이 어려워 오랫동안 구현하지 못하는 상황이었습니다.

 

청색의 빛을 내려면 실리콘 카바이드(SiC), 징크셀레나이드(ZnSe), 질화갈륨(GaN)을 사용해야 합니다. 예전에는 주로 SiC와 ZnSe를 사용했습니다. 이들은 제작에 용이한 장점이 있지만 가격이 비싸고 빛의 세기가 약하다는 단점이 있었습니다. 반면, GaN을 사용하면 앞의 단점들을 보완할 수 있었지만 GaN은 당시까지 제작에 어려움이 있어 학계에서 주류가 아니었습니다. 하지만 결국, GaN으로 청색 LED를 제작하는 데 성공하게 되고 개발을 진행한 아마노 히로시, 아카사키 이사무, 나카무라 슈지는 2014년 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다.

 

* Buffer layer

청색 LED는 n-GaN과 p-GaN을 접합하여 제작합니다. 하지만 GaN은 기판으로 사용하는 사파이어(Al2O3)와 깨끗하게 접합이 되지 않는다는 단점이 있습니다. GaN과 사파이어를 접합하면 lattice mismatch로 인해 dislocation defect이 생겨 single crystal을 만들 수 없습니다.

[출처 : 2014 nobel lecture in physics, Shuji Nakamura]

이러한 문제를 해결하기 위해 사파이어와 n-GaN 사이에 buffer layer를 집어넣는 방법을 사용하였습니다. Buffer layer 역시 GaN으로 사용하여 동종 접합(homojunction)을 통해 n-GaN과 사파이어 사이에 결함을 감소시켰습니다.

[출처 : 1991 Jpn. J. Appl. Phys. 30 L1998, Shuji Nakamura et al]

* InGaN/GaN Quantum Well

LED의 p-GaN과 n-GaN 사이에 인듐질화갈륨(InGaN)을 사용하여 활성층(active layer)을 만들어 주면 발광 효율이 더 높아집니다. GaN은 365nm의 자외선에 가까운 짧은 파장을 가지고 있습니다. 여기에 인듐(In)을 첨가하여 조성을 조절하면 더 순수한 청색을 얻을 수 있습니다. 또한, 인듐의 조성을 조절하여 InGaN의 밴드갭을 조절할 수 있어 GaN사이에 양자우물(Quantum Well)을 만들어 주면 빛의 세기가 더 증가하는 효과를 볼 수 있습니다.

7. OLED (유기 발광 다이오드)

OLED는 빛을 내는 발광층이 전류에 반응하는 유기물로 되어있는 LED입니다. OLED 또한 LED와 마찬가지로 PN 접합을 통해 반도체 박막 층을 쌓아 제작합니다.

OLED TV [출처 : LG전자]

OLED의 PN접합 시, 전자와 정공의 이동을 도와줄 전자수송층(ETL), 정공수송층(HTL)을 접합하여 전자와 정공의 이동 효율을 높입니다. 이동된 전자와 정공은 발광층에서 재결합하여 빛을 발생시킵니다. OLED는 이 발광층에 유기물을 이용하여 여러 가지 색의 빛을 발광합니다.

[출처 : 삼성디스플레이 블로그]

기존 LED 디스플레이는 백라이트로 LED를 사용하는 LCD 디스플레이입니다. LED에서 빛을 발산하면 액정과 컬러필터를 거쳐 색을 입히고 화면에 표시됩니다. 하지만 OLED로 제작한 디스플레이는 화소 하나하나가 독립적으로 발광합니다. 따라서 액정이나 컬러필터가 필요가 없어 화면의 두께가 아주 얇은 특징을 가지고 있습니다.

[출처 : LG디스플레이 블로그]

OLED의 장점으로는 화소를 독립적으로 동작시킬 수 있어 화소에 전류를 공급하지 않으면 아예 꺼져버려 완전한 검은색을 나타내고 LED에 비해 좋은 명암비와 색 재현율을 통해 높은 해상도를 가집니다. 또한, 단일 화소에 들어가는 전류를 조절하여 전력 소모도 줄일 수 있는 친환경 소자입니다.

[출처 : LG디스플레이 블로그]

 

이상으로 발광 다이오드에 대해 알아보았습니다. 다음 포스팅에서는 CPU, GPU와 RAM 같은 메모리에 사용되는 트랜지스터에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

감사합니다.

 

*본 포스팅은 ‘NEAMEN의 반도체 물성과 소자’를 참고하여 제작하였습니다.

 

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