기존 LED는 효율, 안정성, 그리고 소자 크기 측면에서 탁월한 성능을 발휘하며 조명 및 디스플레이 분야에 혁명을 일으켰습니다. LED는 일반적으로 밀리미터 단위의 측면 치수를 가진 얇은 반도체 필름을 적층한 형태로, 백열전구나 음극관과 같은 기존 소자보다 훨씬 작습니다. 그러나 가상현실 및 증강현실과 같은 새로운 광전자 응용 분야에서는 마이크론 단위 이하의 LED가 필요합니다. 마이크로 또는 서브마이크론 단위의 LED(µLED)는 기존 LED가 이미 갖추고 있는 뛰어난 특성, 즉 높은 발광 안정성, 높은 효율 및 밝기, 초저전력 소비, 풀컬러 발광 등의 장점을 그대로 유지하면서도 약 백만 배 더 작은 면적으로 더욱 컴팩트한 디스플레이를 구현할 수 있기를 기대합니다. 이러한 LED 칩은 실리콘 기판에 단일 칩으로 제작되어 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 소자와 통합될 수 있다면 더욱 강력한 광자 회로를 구현할 수 있는 길을 열어줄 수 있습니다.
그러나 지금까지 이러한 µLED는 특히 녹색에서 적색 방출 파장 범위에서 찾기 힘든 상태였습니다.기존의 LED µLED 방식은 InGaN 양자우물(QW) 필름을 에칭 공정을 통해 마이크로 스케일 소자로 에칭하는 탑다운 공정입니다.박막 InGaN QW 기반 tio2 µLED는 가시광선 영역 전반에 걸쳐 효율적인 캐리어 수송 및 파장 가변성과 같은 InGaN의 많은 우수한 특성으로 인해 많은 주목을 받았지만, 지금까지는 소자 크기가 작아짐에 따라 악화되는 측벽 부식 손상과 같은 문제로 어려움을 겪었습니다.또한 편광 필드의 존재로 인해 파장/색상 불안정성이 있습니다.이 문제에 대해 비극성 및 반극성 InGaN과 광자 결정 공동 솔루션이 제안되었지만 현재로서는 만족스럽지 않습니다.
Light Science and Applications에 게재된 새로운 논문에서, 미시간 대학교 애너벨 캠퍼스의 Zetian Mi 교수가 이끄는 연구진은 이러한 장애물을 완전히 극복하는 서브마이크론 크기의 녹색 LED iii-질화물을 개발했습니다. 이 µLED는 선택적 국부 플라즈마 보조 분자선 에피택시(selective regional plasma-assisted molecular beam epitaxy)를 통해 합성되었습니다. 기존의 하향식 접근법과는 극명하게 대조적으로, 이 µLED는 수십 나노미터 간격으로 분리된 직경 100~200nm의 나노와이어 배열로 구성됩니다. 이러한 상향식 접근법은 본질적으로 측면 벽 부식 손상을 방지합니다.
활성 영역이라고도 하는 소자의 발광 부분은 나노와이어 형태를 특징으로 하는 코어-쉘 다중 양자 우물(MQW) 구조로 구성됩니다. 특히 MQW는 InGaN 우물과 AlGaN 장벽으로 구성됩니다. III족 원소인 인듐, 갈륨, 알루미늄의 측벽 흡착 원자 이동 차이로 인해 나노와이어 측벽에는 인듐이 없고 GaN/AlGaN 쉘이 MQW 코어를 부리토처럼 감싸고 있는 것을 발견했습니다. 연구진은 이 GaN/AlGaN 쉘의 Al 함량이 나노와이어의 전자 주입 면에서 정공 주입 면으로 점차 감소하는 것을 발견했습니다. GaN과 AlN의 내부 분극장의 차이로 인해 AlGaN 층에서 Al 함량의 이러한 부피 기울기는 자유 전자를 유도하여 MQW 코어로 쉽게 흐르고 분극장을 줄여 색상 불안정성을 완화합니다.
실제로 연구진은 직경 1마이크론 미만의 소자에서 전계 발광(electroluminescence) 또는 전류 유도 발광의 피크 파장이 전류 주입 변화의 자릿수만큼 일정하게 유지된다는 것을 발견했습니다. 또한, 미 교수 연구팀은 실리콘 위에 고품질 GaN 코팅을 성장시켜 실리콘 위에 나노와이어 LED를 성장시키는 방법을 이미 개발했습니다. 따라서 마이크로 LED는 실리콘 기판 위에 위치하여 다른 CMOS 전자 장치와 통합될 수 있습니다.
이 µLED는 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 칩에 통합된 RGB 디스플레이의 발광 파장이 적색으로 확장됨에 따라 장치 플랫폼은 더욱 견고해질 것입니다.
게시 시간: 2023년 1월 10일