4.13 발광 다이오드와 고체 조명 2

4.13.1 LED 재료와 구조 

 

 > 직접 갭 반도체는 간접 갭 반도체보다 LED 응용에 더 적합하다. 

 

 > 직접 갭 반도체는 동일 파동 벡터 k에서 쉽게 정공과 전자가 재결합한다. 

 

 > 재결합하면서 광자가 생성되며 이를 방사 재결합(Radioactive recombination)이라고 한다. 

 

 > 직접 갭 반도체에선 방사 재결합이 ns 수명을 갖고 빠르게 진행된다. 

 

 > 반면 간접 갭 반도체는 ms 수명을 갖고 느리게 진행되어 양자 효율이 매우 낮다. 

 

> 그 결과, 광자보다는 포논을 생성하는 트랩 -> 경유 -> 재결합 과정이 우세하여 열로 대부분 생성된다.

 

 

 > LED 파장에 따라 가시광선, 적외선, UV 광자를 얻을 수 있다. 

 

 > LED 파장 = hv/Eg = 1.24 / Eg이다. 

 

 > 원한는 역영의 파장을 얻기 위해서 반도체 화합물을 활용하여 Eg를 조절할 수 있다. 

 

 > GaP는 노란색에 해당하는 밴드 갭 에너지를 갖는다.

 

 > GaAs와 GaP의 비율을 조절하면 노란색과 오렌지색 그리고 적외선을 방출하는 LED를 만들 수 있다.  

 

 > GaP, GaAs와 같은 화합물을 2원소 반도체라고 한다. 

 

 > GaAsP와 같은 화합물을 3원소 반도체라고 하며 통틀항서 화합물 반도체라고 한다. 

 

 > 화합물 반도체에서 고려할 부분은 기판 재료이다.

 

 > 고효율 LED를 만들기 위해선 고품질의 반도체 필름이 필요하며 기판 위에 에피 층을 길러 제작한다. 

 

 > 노란색 LED는 GaAs 기판 위에 GaP 필름을 성장시켜 사용한다. 

 

 > 두 반도체는 동일한 격자 상수를 갖지 않아 필름에 결정 결함들을 만들고 LED 효율과 신뢰성을 떨어뜨린다. 

 

 > InP를 섞어 기판과 필름의 격자 상수를 맞출 수 있다. 

 

 > 화합물 반도체에서 에너지 웰 혹은 양제 웰의 개념이 있다. 

 

 > 다른 화합물에 비해 낮은 Eg를 갖는 반도체가 있으면 에너지 밴드 상에 웰을 형성한다.

 

 > 이 웰에는 전자와 정공의 농도가 높아 재결합 및 빛의 방출에서 매우 바람직하다. 

 

 > 서로 다른 반도체를 여러 층으로 만들어서 다중 양자 웰 또한 사용된다. 

그림 1. (a) Red LED (b) 양자 웰 에너지 밴드 다이어그램

 

 > 반도체 외에도 유기 화합물에서도 LED만들 수 있으며 이를 OLED라고 한다. 

 

 

 

 

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)