Enhancement of light outcoupling from AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes

Abstract

AlGaN 기반 심 자외선 발광 다이오드는 여러 유망한 특성을 가지고 있지만 자체 효율이 상용화 수준에 크게 근접하지 못하여 현 수은 램프 기반 시장을 대체하지 못하고 있다. 심 자외선 발광 다이오드의 효율은 여러 효율의 곱으로 표현되며, 그 중 광 추출 효율의 값이 현저히 낮게 보고된다. 낮은 광 추출 효율의 원인으로는 발광 다이오드 가장 상단에 위치한 p형 GaN 층에 의한 흡수와 AlGaN 활성층에서의 비 등방성 편광 발광에 의한 전반사가 있으며, 특히 비등방성 편광은 물질 자체의 특성에 기인한 기초적인 한계로 다루어진다. 이 학위논문에서는 비등방성 편광을 추출하는 것에 집중하여 광 추출효율 향상을 목표로 여러 구조와 전략을 제시하였다. 첫 번째로는, 비등광성 편광을 효과적으로 추출할 수 있는 여러 구조들을 제안하였다. 줄무늬 모양의 메사 구조를 형성하고, 각 메사 구조 옆면에 경사각을 주어 그 위에 심 자외선용 전 방향 반사 거울을 형성하였다. 경사각에 형성된 거울은 측면으로 추출되는 빛을 기판 방향으로 뽑아내는데 매우 효과적이었으며, 이는 줄무늬의 둘레 길이가 증가할수록 더욱 극대화 되었으며 실험 및 시뮬레이션으로 확인되었다. 이 구조에서 더 발전하여, 손가락 길이 방향으로 진행하는 빛도 추가적으로 추출하기 위하여 원뿔대 모양의 메사 배열을 형성, 더 증가된 광 추출 효율을 확인하였다. 마지막으로 p형 GaN층으로 향하여 흡수되어 버리는 많은 양의 빛을 재활용하기 위하여 p형 GaN층의 일부를 에칭하고 그 위에 심자외선 용 거울을 다시 형성하는 방법을 이용하여 추가적인 광 추출을 얻었지만, 소자의 전기적 특성 저하에 대한 고찰이 필요하다. 두 번째로, 금속 나노 파티클과 활성층 간의 플라즈몬 상호작용을 이용하여 심 자외선 발광 다이오드의 전체적인 효율 향상을 도모하였다. 심 자외선 발광 다이오드의 활성층과 플라즈몬 공명을 하기 위해선, 50 나노미터 이하의 알루미늄 파티클이 요구된다. 하지만, 70 나노미터 이하의 알루미늄 파티클 형성 공정은 매우 어렵다고 보고되고 있다. 이 학위논문에서는 이러한 문제점을 블록 공중합체 리쏘그래피를 증착 템플릿으로 이용하여 해결하였으며, 평균 40 나노미터의 균일한 알루미늄 파티클을 형성하였다. 블록 공중합체 리쏘그래피 공정은 기존 심 자외선 발광 다이오드 공정과 함께 결합되어 사용되었으며, 일부 p형 GaN층을 에칭한 후 그 위에 알루미늄 파티클을 형성하여 활성층과의 상호작용을 극대화 하였다. 그 결과, 상당한 양의 내부양자효율 증가가 관측되었으며 이는 곧 소자의 전체 효율을 크게 향상시키는데 기여하였다. 마지막으로, 분석적 모델링을 구현하여 측면 발광 추출 심 자외선 발광 다이오드 내부에서의 광 추출 특성을 분석하였다. 실험 결과와 분석적 모델링 결과 비교를 통하여 분석적 모델링의 유효성을 검증하고, 모델링에서 여러 변수를 조합하여 높은 효율을 보이는 구조를 제안하였다.

AlGaN-based deep-ultraviolet (DUV) light-emitting diodes (LEDs) have great potential in various applications due to their promising characteristics. There are, however, several challenges that severely limit the external quantum efficiency (EQE). In particular, the light extraction efficiency of AlGaN DUV LEDs is significantly lower than that of GaInN visible LEDs, which becomes much more severe with increasing Al composition. Conventional light-extraction-enhancing techniques, that are effective for GaInN visible LEDs, have been applied to AlGaN DUV LEDs, but turned out to be ineffective. This is due to the unique valence band structure of AlGaN with high Al composition that forces a predominant emission of anisotropic transverse-magnetic polarized light, calling for new and unique LED structural engineering. In this dissertation, strategies to enhance the outcoupling of DUV photons from AlGaN-based DUV LEDs are studied by utilizing the unique optical and electrical properties of AlGaN with a high Al composition. At first, AlGaN DUV LEDs having multiple mesa stripes with inclined sidewalls covered by an MgF2/Al omni-directional mirror are presented in order to extract the strongly anisotropic transverse-magnetic polarized emission from AlGaN quantum wells. Secondly, localized surface plasmon resonance enabled by a high-density array of 40 nm-diameter Al nanoparticles on AlGaN DUV LEDs is demonstrated to show a remarkable enhancement in efficiency. At last, an analytical model is suggested to investigate the light extraction property of an AlGaN DUV LEDs, which can give a promising way to optimize DUV LED design by taking electrical and structural parameters into account. The detailed contents of this dissertation are organized as follows. Chapter 1 gives the introduction to DUV light and the importance of developing efficient DUV LEDs. Chapter 2 introduces AlGaN DUV LEDs and fundamental challenges that limits their efficiency. Chapter 3 gives the details of the DUV LED structures that resulted in a significant enhancement in light-extraction efficiency Chapter 4 introduces the concept for the localized surface plasmon resonance-mediated DUV LEDs, and remarkably enhanced light output enabled by forming a uniform array of 40 nm-diameter Al nanoparticle on AlGaN DUV LEDs array are presented. Chapter 5 introduces the analytical model for DUV LEDs developed to understand and precisely estimate the extraction of DUV photons from AlGaN DUV LED.