Fabrication of GaN-Based Blue Micro Light-emitting-diodes and Its Optical Characteristic Analysis Using Finite-Difference-Time-Domain Method
질화갈륨 기반 청색 마이크로 발광 다이오드의 제작과 시간 영역 유한 차분 방법을 이용한 광학 특성 분석
- 주제(키워드) Micro LED , GaN , FDTD , Simulation
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 주병권 (Byeong-Kwon Ju)
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 대학원 전기전자전파공학과
- 원문페이지 109 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000291832
- UCI I804:11009-000000291832
- DOI 10.23186/korea.000000291832.11009.0001893
- 본문언어 영어
초록/요약
Recently, light-emitting-diode (LED) is receiving a lot of industrial and research attention as a next-generation display device due to its excellent characteristics such as high contrast ratio, eco-friendliness, high efficiency and fast response time. Among the red, green and blue wavelength LEDs, the most important are blue LEDs, because the blue LEDs are more efficient than other red or green LEDs and can be used as a basic light source that can be converted to various colors. In this background, overcoming various technical difficulties over decades, inorganic LEDs using gallium nitride (GaN) have become the mainstream of today's blue LED technology. In order to utilize these conventional GaN LED devices as next-generation displays such as virtual reality (VR), augmented reality (AR), head mount display (HMD) and head up display (HUD), micro GaN LEDs that pixelate from conventional GaN LEDs have emerged. However, many problems remain to be solved in order to commercialize micro LED. Micro LED production technology has not yet been optimized and matured, so intensive research in this area is highly required. Typically, general micro LEDs must be manufactured with an lateral LED size of 100 micrometers (µm) or less. These micro LEDs can be made into an array configuration and implemented as a display, and two types of micro LED arrays have been implemented and analyzed to ensure the reliability of the process. One is a 32 by 32 array with 60 µm2 pixel size and the other is a 16 by 16 array with 100 µm2 pixel size, respectively. Additionally, research on improving external quantum efficiency is needed as a way to improve the performance of micro LEDs. External quantum efficiency is determined by the product of the device's internal quantum efficiency and light extraction efficiency, where light extraction efficiency varies depending on the device's internal geometry. Because micro LED processes and structures have not yet been optimized, micro LEDs with numerous geometries are being studied. Moreover, fabrication micro LED’s cost is still high, theoretical optimization research is urgently needed in micro LED technology. This optical theoretical prediction method can be accomplished by a computer assisted numerical analysis method, especially the finite-difference-time-domain (FDTD) method. Since around 2010, research on modeling light extraction and light emission pattern of micro LEDs using the FDTD method has been increasing. This simulation method can be a powerful breakthrough for optimizing micro LED processes and characteristics expectation that have not yet been established. Under this background, FDTD calculation was performed on light extraction and light radiation patterns according to changes in the P type GaN and AlGaN electron blocking layer structure included in the micro LED, and ultimately the dependency with the pixel size was also calculated. When AlGaN is 50 nm and P-GaN is 100 nm, as the radius of the micro LED increases from 3 µm to 5 µm, the average external light extraction efficiency enhancement is 39.7 % for one photon generated in the active layer was shown. In the case of AlGaN = 50 nm P-GaN = 150 nm, the external light extraction efficiency enhancement was 43 %, and in the case of AlGaN = 100 nm P-GaN = 100 nm, the external light extraction efficiency enhancement was 35.9 %, making it possible to obtain dependency between the P-GaN and AlGaN layers with respect to LED’s lateral dimension. These research results are expected to contribute to future micro LED technology by lowering costs and improving reliability in micro LED technology.
more초록/요약
최근 발광다이오드는 높은 명암 비, 친 환경성, 고효율, 빠른 응답속도 등의 우수한 특성으로 인해 차세대 디스플레이 소자로 산업 및 연구 계에서 많은 주목을 받고 있다. 적색, 녹색, 청색 파장 발광 다이오드 중에서 가장 중요한 것은 청색 발광 다이오드 인데, 청색 발광 다이오드는 다른 적색, 녹색 발광 다이오드에 비해 효율이 좋고, 다양한 색상으로 변환이 가능한 기본 광원으로 사용할 수 있기 때문이다. 이러한 배경에서 수십 년에 걸친 다양한 기술적 어려움을 극복하고 질화 갈륨을 이용한 무기물 발광 다이오드가 오늘날 청색 LED 기술의 주류가 되었다. 이러한 기존 질화 갈륨 발광 다이오드 소자를 가상현실, 증강현실, 헤드 마운트 디스플레이, 헤드 업 디스플레이 등의 차세대 디스플레이로 활용하기 위해 기존 발광 다이오드를 픽셀화한 형태의 마이크로 발광 다이오드가 필요하다. 그러나 마이크로 발광 다이오드가 상용화되기 위해서는 해결해야 할 문제가 많다. 마이크로 발광 다이오드 생산 기술은 아직 최적화가 되지 않았고 기술의 성숙도가 크지 않기 때문에 이 분야에 대한 집중적인 연구가 필요하다. 일반적으로 마이크로 발광 다이오드라는 발광 다이오드 수평 크기가 100마이크로미터 이하로 제작되어야 한다. 이러한 마이크로 발광 다이오드를 어레이 형태로 만들어 디스플레이로써 구현할 수 있으며, 공정의 신뢰성을 확보하기 위해 두 가지 유형의 마이크로 발광 다이오드 어레이를 제작 및 평가하였다. 하나는 픽셀 크기가 60마이크로미터인 가로 32픽셀, 세로 32 픽셀을 가진 어레이며 다른 하나는 픽셀 크기가 100마이크로미터인 가로16 픽셀, 세로 16 픽셀을 가진 어레이다. 또한, 고효율 마이크로 발광 다이오드의 달성하기 위한 방법으로 외부 양자 효율을 향상시키는 연구가 필요하다. 외부 양자 효율은 소자의 내부 양자 효율과 광 추출 효율의 곱으로 결정되며, 광 추출 효율은 디바이스의 내부 구조에 따라 달라진다. 마이크로 발광 다이오드 공정과 구조가 아직 최적화되지 않았기 때문에 다양한 구조의 마이크로 발광 다이오드가 연구되고 있다. 게다가, 마이크로 발광 다이오드의 제조 비용은 여전히 높기 때문에 마이크로 발광 다이오드 구조에 대한 이론적 최적화 연구가 굉장히 필요하다. 이러한 광학적, 이론적 예측 방법은 컴퓨터를 이용한 수치 분석 방법, 특히 유한 차분 시간 영역 방법을 통해 수행할 수 있다. 2010년대부터 유한 차분 시간 영역 방법 방식을 이용한 마이크로 발광 다이오드의 광 추출 효율 향상 및 발광 패턴 시뮬레이션 연구가 증가하고 있다. 이 시뮬레이션 방법은 아직 확립되지 않은 마이크로 발광 다이오드 공정 및 특성 기대치를 최적화하는 데 유용한 방법이 될 수 있다. 마이크로 발광 다이오드에 포함되는 P-형 질화 갈륨과 알루미늄-질화 갈륨 전자 차단층 구조의 변화에 따른 광 추출 및 광 방사 패턴에 대한 유한 차분 시간 영역 방법을 사용한 계산을 수행하였고, 최종적으로 픽셀 크기에 따른 의존성도 계산하였다. 알루미늄-질화 갈륨의 두께가50나노미터, P-형 질화 갈륨의 두께가 100나노미터일 때 마이크로 발광 다이오드의 반지름이 3마이크로미터에서 5마이크로미터로 증가하면, 활성 영역에서 생성된 광자 하나에 대하여 평균 39.7퍼센트의 외부 광 추출 효율 향상이 있었고, 알루미늄-질화 갈륨50 나노미터, P-형 질화 갈륨 150 나노미터의 경우에는 43.2퍼센트, 알루미늄-질화 갈륨 100 나노미터, P-형 질화 갈륨100 나노미터의 경우에는 35.9퍼센트의 외부 광 추출 효율 향상을 나타내어 P-형 질화 갈륨 층과 알루미늄-질화 갈륨 층의 각기 다른 광 추출 의존성을 확인할 수 있었다. 이 연구 결과를 통해 마이크로 발광 다이오드 기술의 소자 제작 비용 절감과 신뢰성 향상을 기대할 수 있으며, 더 나아가 미래 마이크로 발광 다이오드 기술에 활용할 수 있을 것이다.
more목차
ABSTRACT i
국문 초록 iii
TABLE OF CONTENTS vi
LIST OF TABLES viii
LIST OF FIGURES ix
CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
1.1 GaN LED 1
1.2 Micro LED Array 1
1.3 Finite-Difference-Time-Domain (FDTD) Numerical Method 2
1.4 Properties of Micro GaN LED 3
1.5 References 9
CHAPTER 2. GaN Micro LED Array 13
2.1 Introduction 13
2.2 Experimental 14
2.2.1 GaN LED Structure 14
2.2.2 Array Configuration 14
2.2.3 Fabrication Process of Micro GaN LED Array 18
2.3 Results & Disccussion 24
2.4 Conclusion 38
2.5 References 39
CHAPTER 3. FDTD Simulation of Micro GaN LED 41
3.1 Introduction 41
3.2 Preparation of Simulation 42
3.3 Results & Discussion 46
3.3.1 Effect of P-GaN 46
3.3.2 Effect of P-AlGaN 67
3.3.3 Size Effect 82
3.4 Conclusion 87
3.5 References 88
CHAPTER 4. CONCLUSION 91
