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1. 동아대학교 LED 반도체의 종류와 특성
1.1. LED의 정의와 발광 원리
LED(Light Emitting Diode)는 발광 다이오드로, 다수 캐리어가 전자인 n-type 반도체 결정과 다수 캐리어가 정공인 p-type 반도체 결정이 서로 접합된 구조를 가지는 광 전변환 반도체 소자이다. 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기신호를 원하는 파장대역의 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용된다. LED에서 전자와 정공이 재결합하면서 에너지를 방출하게 되는데, 이 때 발생하는 빛이 LED 발광의 원리이다. p-n 접합 내에서 전자와 정공이 재결합하면 에너지 밴드갭에 해당하는 에너지 차이만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출된다. 이 때 방출되는 빛의 파장은 사용되는 반도체 물질의 에너지 밴드갭에 의해 결정된다.
1.2. LED에 사용되는 화합물 반도체 종류
현재 상용화된 LED 재료는 모두 화합물반도체이다. 대부분 III-V족, III-III-V족, III-III-III-V족, III-III-V-V족 결합으로 이루어져 있다. 적색 LED에는 AlGaAs, InGaAlP이 사용되며, 녹색 LED에는 InGaN이 사용된다. 청색 LED에는 InGaN이, UV LED에는 GaN, InAlGaN이 사용된다. 적외선 LED에는 GaAs, InGaAs, InGaAsN이 사용된다.
GaP: ZnO를 사용하는 적색 LED는 isoelectronic trap에 의한 발광 특성을 지니며 옥내용 기기에 주로 활용된다. GaP: N을 사용하는 녹색 LED는 N을 isoelectronic trap으로 첨가하여 565nm 피크 파장의 약간 황색을 띄는 발광을 하며, 옥외용 디스플레이 등에 응용된다. N을 첨가하지 않으면 565nm의 순수한 녹색 발광을 나타낸다. GaAsP계 적색 LED는 GaAs의 조성비 제어를 통해 적외선(x=0)에서 녹색(x=1)까지 파장을 조절할 수 있으며, GaAs0.45P0.55는 650nm 피크 파장을 가지는 적색 발광을 나타낸다. GaAs계 등황색·황색 LED는 GaAs의 조성비를 적색 LED보다 크게 하여 단파장화하고, N을 isoelectronic trap으로 첨가하여 발광효율을 향상시켰다. GaPAlAs계 적색 LED는 Ga1-xAlxAs 조성 변화를 통해 640nm에서 900nm까지 파장을 조절할 수 있으며, 옥외용 표시소자에 응용된다. InGaAlP계 등황색·황색 LED는 직접 천이형 구조를 가져 휘도가 높으며, In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 조성에 따라 660nm에서 555nm까지 파장을 가변할 수 있다. GaN계 청색 LED는 직접 천이형 구조로 발광효율이 높지만, 대형 기판 결정 제작과 p형 결정 제작이 어렵다는 단점이 있다. SiC 청색 LED는 p형 결정 제작이 용이하지만 발광효율 향상이 필요하다. II-VI족의 ZnSe(Eg=2.7eV), ZnS(Eg=3.7eV) 화합물 청색 LED 또한 직접 천이형 구조를 가진다. Full Color LED는 R, G, B LED를 조합한 Hybrid형이다. 적외선 LED의 경우 GaAs + Si 화합물이 사용되며, 반도체 박막성장 조건 제어를 통해 발광효율을 높일 수 있다.
1.3. LED 재료별 광학적, 전기적 특성
LED에 사용되는 화합물 반도체는 각각의 고유한 광학적, 전기적 특성을 가지고 있다. GaP:ZnO 적색 LED는 isoelectronic trap에 의한 발광으로 인해 옥내용 기기에 활용되며, 효율이 낮은 편이다. GaP:N 녹색 LED는 N을 isoelectronic trap으로 첨가하여 565nm의 피크 파장을 가지며, 옥외용 디스플레이에 응용된다. GaAsP계 적색 LED는 GaAs1-xPx 조성비에 따라 적외선(x=0)에서 녹색(x=1)까지의 파장을 내며, GaAs0.45P0.55 조성의 경우 650nm 피크 파장을 가진다. GaAs계 황색 및 등황색 LED는 GaAs1-xPx 조성비를 증가시켜 단파장화하고, N을 isoelectronic trap으로 첨가하여 발광효율을 향상시킨다. GaAlAs계 적색 LED는 Ga1-xAlxAs 조성으로 640nm~900nm의 광범위한 파장을 가지며 옥외 표시소자에 응용된다. InGaAlP계 등황색 및 황색 LED는 직접천이형 구조로 고발광효율을 가지며, In0.5(Ga1-xAlx)0.5P 조성으로 660nm~555nm의 파장을 낸다. GaN계 청색 LED는 직접천이형 구조로 발광효율이 우수하나, 대형 기판 결정과 p형 결정 제작이 어려운 단점이 있다. SiC 청색 LED는 p형 결정 제작이 용이하나 발광효율 향상이 필요하며, II-VI족 청색 LED는 직접천이형 구조이나 실용화에는 아직 어려움이 있다. 이외에도 적외선 LED로는 GaAs+Si 등...
