KR101720165B1

KR101720165B1 - 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101720165B1
Application number: KR1020150124376A
Authority: KR
Inventors: 심종인; 한동표; 신동수; 오찬형
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-04-03
Also published as: KR20170027933A

Abstract

본 발명은 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치는 발광다이오드에 입사광을 제공하되, 입사광의 에너지를 변화시키면서 입사광을 발광다이오드에 인가하는 광입사부; 발광다이오드에 서로 다른 크기의 복수의 전압을 인가할 수 있도록, 발광다이오드에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절기; 및 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로, 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하고, 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 데이터 분석부를 포함한다.

Description

발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYZING STATE DENSITY OF LIGHT EMITTING DIODE}

본 발명은 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 여기발광(photoluminescence exitation)의 세기를 이용하여 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

발광다이오드의 여기발광(photoluminescence exitation)은 주로 여기광의 에너지에 따른 소자의 흡수 특성을 구하는데 이용된다. 예를 들어, 여기발광은 흡수 스펙트럼과 발광 스펙트럼의 차이인 스토크스 시프트(Stokes shift)를 구하는데 이용될 수 있다. 일반적으로 여기발광은 개방 회로(open circuit) 조건에서 측정된다. InGaN 양자우물 구조를 갖는 청색 발광다이오드의 경우, 개방 회로 조건에서 여기된 운반자들 중 일부는 양자우물에서 발광재결합을 하고 다른 일부는 양자우물에 쌓인 후 결국 양자우물 밖으로 넘치게 된다. 넘쳐난 전자와 정공들은 벌크(bulk) 영역인 n-GaN, p-GaN에 각각 쌓이며, 쌓인 운반자에 의해 소자의 에너지 밴드 구조와 에너지 준위가 영향을 받게 된다. 이로 인하여 개방 회로 조건에서 여기발광을 측정하여 소자의 상태 밀도(발광 재결합에 기여하는 에너지 준위)를 정확히 판단하는 것은 어렵다.

본 발명은 발광다이오드의 상태 밀도와 발광 재결합에 기여하는 에너지 준위를 정확하게 분석할 수 있는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치는 발광다이오드에 입사광을 제공하되, 상기 입사광의 에너지를 변화시키면서 상기 입사광을 상기 발광다이오드에 인가하는 광입사부; 상기 발광다이오드에 서로 다른 크기의 복수의 전압을 인가할 수 있도록, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절기; 및 상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로, 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하고, 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 데이터 분석부를 포함하며, 상기 데이터 분석부는, 상기 전압 조절기에 의해 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 발광 재결합에 기여하는 상태밀도 증가율을 산출한다.

상기 데이터 분석부는, 상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로, 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하는 발광여기데이터 생성부; 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 기결정된 광자에너지를 기준으로 정규화하여 발광여기 정규화 데이터를 생성하는 정규화부; 상기 발광여기 정규화 데이터와, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성하는 발광여기 증분데이터 생성부; 및 상기 발광여기 증분데이터 중에서 상기 기결정된 광자에너지보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 양자우물의 상태 밀도를 측정하는 상태밀도 분석부를 포함할 수 있다.

삭제

상기 광입사부는, 광을 공급하는 광원; 상기 광을 단색 파장으로 변화시키는 단색광기; 상기 단색 파장의 광을 투과시키는 단파장 투과필터; 상기 단색 파장의 광을 기결정된 주파수로 상기 발광다이오드로 제공하기 위한 초퍼; 및 상기 초퍼에 의해 상기 기결정된 주파수로 제공되는 상기 단색 파장의 광을 반사시켜 상기 발광다이오드로 상기 입사광을 제공하는 빔스플리터를 포함하고, 상기 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치는 상기 입사광에 따라 상기 발광다이오드에서 발생하여 상기 빔스플리터를 투과한 빛 중 기결정된 파장 대역의 빛만을 통과시키는 대역통과필터와, 상기 대역통과필터를 통과한 빛의 강도를 전압 또는 전류로 변화시키는 광전 증배기와, 상기 광전 증배기에 의해 변화된 전압 또는 전류를 증폭시켜 상기 기결정된 주파수에 따라 측정하고 상기 단색 파장의 광이 기결정된 주파수로 상기 발광다이오드에 제공되도록 상기 초퍼를 동기화시켜 제어하는 로크인 증폭기를 포함하는 데이터 수집부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 발광다이오드에 입사광을 제공하되, 상기 입사광의 에너지를 변화시키면서 상기 입사광을 상기 발광다이오드에 인가하는 단계; 상기 발광다이오드에 서로 다른 크기의 복수의 전압을 인가할 수 있도록, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압을 조절하는 단계; 상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로, 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 단계를 포함하며, 상기 상태 밀도를 분석하는 단계는, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 발광 재결합에 기여하는 상태 밀도 증가율을 산출하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법이 제공된다.

상기 상태 밀도를 분석하는 단계는, 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 기결정된 광자에너지를 기준으로 정규화하여 발광여기 정규화 데이터를 생성하는 단계; 상기 발광여기 정규화 데이터와, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성하는 단계; 및 상기 발광여기 증분데이터 중에서 상기 기결정된 광자에너지보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 양자우물의 상태 밀도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

삭제

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 가변적인 에너지의 입사광에 따라 상기 발광다이오드에서 발생하는 광을 분석하여, 상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하는 단계와, 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 단계를 포함하되, 상기 상태 밀도를 분석하는 단계는, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 발광 재결합에 기여하는 상태 밀도 증가율을 산출하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체가 제공된다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 발광다이오드의 상태 밀도와 발광 재결합에 기여하는 에너지 준위를 정확하게 분석할 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치(100)의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치를 구성하는 데이터 분석 장치(200)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치를 구성하는 데이터 분석부(260)의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법의 흐름도이다.
도 5는 발광다이오드의 양단에 0(V)가 아닌 개방 회로 전압(Voc)이 인가된 개방 회로 조건에서 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 6은 발광다이오드의 양단에 0(V)가 인가된 단락 회로 조건에서 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 7은 발광다이오드에 순방향 전압 인가에 따른 발광다이오드 에너지 밴드 다이어그램의 변화를 보여주는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 발광다이오드에 인가되는 전압을 증가시키면서 측정한 여기발광 스펙트럼(PLE spectrum)(발광여기 데이터)을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 생성된 발광여기 정규화 데이터를 보여주는 도면이다.
도 10은 양자우물 에너지 밴드 다이어그램을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라 생성된 발광여기 증분데이터를 보여주는 도면이다.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서 전체에서 사용되는 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부'가 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치(100)의 구성도이다. 본 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치(100)는 여기발광(photoluminescence excitation)의 세기를 이용하여 발광다이오드(LED; Light Emitting Diode)(10)의 상태 밀도를 분석하는 장치이다.

도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 발광다이오드 상태 밀도 분석 장치(100)는 광입사부(110,120,130,140,150), 전압 조절기(160), 데이터 수집부(170,180,190) 및 데이터 분석 장치(200)를 포함한다.

광입사부는 발광다이오드(10)에 입사광을 제공하기 위해 마련된다. 광입사부는 입사광의 에너지를 변화시키면서 입사광을 발광다이오드에 인가한다.

일 실시 예로, 광입사부는 광원(110), 단색광기(120), 단파장 투과필터(130), 초퍼(140) 및 빔스플리터(150)를 포함한다.

광원(110)은 광을 공급한다. 광원(110)은 예를 들어, 수은-크세논(Hg-Xe) 램프 등의 발광 장치로 제공될 수 있다. 수은-크세논 램프는 185nm에서 2000nm 까지 광원을 공급할 수 있다. 광원(110)은 변화되는 에너지의 입사광을 제공할 수 있다.

단색광기(monochromator)(120)는 광원(110)에서 발생한 광을 단색 파장으로 변화시킨다.

단파장 투과필터(short pass filter)(130)는 단색광기(120)에 의해 단색 파장으로 변화된 광에서 단파장의 광만 통과시킨다. 단파장 투과필터(130)는 대역통과필터(170)로 통과할 수 있는 미세한 광원을 제거할 수 있다.

초퍼(chopper)(140)는 단파장 투과필터(130)를 투과한 단색 파장의 광을 기결정된 주파수로 발광다이오드로 제공하기 위해 마련된다.

빔스플리터(beam splitter)(150)는 초퍼(140)에 의해 기결정된 주파수로 제공되는 단색 파장의 광을 반사시켜 발광다이오드(10)로 입사광을 제공한다.

전압 조절기(160)는 발광다이오드(10)에 서로 다른 크기의 복수의 전압을 인가할 수 있도록, 발광다이오드(10)에 인가되는 전압을 조절한다.

전압 조절기(160)는 발광다이오드(10)에 인가되는 전압의 조절을 통해, 발광다이오드(10)의 양단을 단락시키거나, 발광다이오드(10)의 양단에 개방 전압을 인가할 수 있다.

일 실시 예로, 데이터 수집부는 대역통과필터(170), 광전 증배기(180) 및 로크인 증폭기(190)를 포함할 수 있다.

대역통과필터(band pass filter)(170)는 입사광에 따라 발광다이오드(10)에서 발생하여 빔스플리터(150)를 투과한 빛 중 기결정된 파장 대역의 빛만을 통과시킨다.

광전 증배기(photomultiplier)(180)는 대역통과필터(170)를 통과한 빛의 강도를 전압 또는 전류로 변화시킨다.

로크인 증폭기(lock-in amplifier)(190)는 광전 증배기(180)에 의해 변화된 전압 또는 전류를 증폭시켜 기결정된 주파수에 따라 측정하며, 단색 파장의 광이 기결정된 주파수로 발광다이오드(10)에 제공되도록 초퍼(140)를 동기화시켜 제어한다.

로크인 증폭기(190)에 의해 측정된 신호는 데이터 분석 장치(200)로 제공된다. 데이터 분석 장치(200)는 발광다이오드(10)에 인가되는 복수의 전압별로, 발광다이오드(10)의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하고, 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 발광다이오드(10)의 상태 밀도를 분석한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치를 구성하는 데이터 분석 장치(200)의 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 데이터 분석 장치(200)는 제어부(210), 사용자 인터페이스부(220), 통신 인터페이스부(230), 메모리부(240), 디스플레이부(250) 및 데이터 분석부(260)를 포함한다.

제어부(210)는 발광다이오드(10)의 상태 밀도를 분석하기 위한 프로그램을 실행한다. 제어부(210)는 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다.

사용자 인터페이스부(220)는 사용자가 발광다이오드(10)의 상태 밀도를 분석하기 위한 명령을 입력하도록 제공된다. 사용자 인터페이스부(220)는 키보드, 마우스, 터치패드 등으로 제공될 수 있다.

통신 인터페이스부(230)는 로크인 증폭기(190)로부터 데이터를 입력받기 위한 통신 인터페이스 기능을 제공할 수 있다.

메모리부(240)는 발광다이오드(10)의 상태 밀도를 분석하기 위한 프로그램, 데이터 분석부(260)에 의해 획득된 발광여기 데이터, 발광여기 정규화 데이터, 발광여기 증분데이터, 발광다이오드(10)의 상태 밀도 등의 정보를 저장할 수 있다.

디스플레이부(250)는 데이터 분석부(260)에 의해 획득된 발광여기 데이터, 발광여기 정규화 데이터, 발광여기 증분데이터, 발광다이오드(10)의 상태 밀도 등의 정보를 LCD(liquid crystal display) 등의 화면을 통해 표시할 수 있다.

데이터 분석부(260)는 발광다이오드(10)에 인가되는 복수의 전압별로, 발광다이오드(10)의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하고, 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 발광다이오드(10)의 상태 밀도를 분석할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치를 구성하는 데이터 분석부(260)의 구성도이다. 도 1 및 도 3을 참조하면, 일 실시 예로, 데이터 분석부(260)는 발광여기데이터 생성부(262), 정규화부(264), 발광여기 증분데이터 생성부(266) 및 상태밀도 분석부(268)를 포함할 수 있다.

발광여기데이터 생성부(262)는 발광다이오드(10)에 인가되는 복수의 전압별로, 발광다이오드(10)의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성한다.

정규화부(264)는 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 기결정된 광자에너지를 기준으로 정규화하여 발광여기 정규화 데이터를 생성한다.

발광여기 증분데이터 생성부(266)는 정규화부(264)에 의해 생성된 발광여기 정규화 데이터와, 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성한다.

상태밀도 분석부(268)는 발광여기 증분데이터 생성부(266)에 의해 생성된 발광여기 증분데이터 중에서 기결정된 광자에너지(예를 들어, 3.2 eV)보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 발광다이오드(10)의 양자우물의 상태 밀도를 측정한다.

데이터 분석부(260)는 전압 조절기(160)에 의해 발광다이오드(10)의 양단에 0(V) 전압을 인가하여 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 발광다이오드의 발광 재결합율을 산출할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법의 흐름도이다. 도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 먼저 발광여기 데이터를 생성하는 단계(S10)가 수행된다.

발광여기 데이터의 생성을 위해, 변화하는 에너지의 입사광이 발광다이오드(10)에 인가되고, 발광다이오드(10)에 서로 다른 크기의 복수의 전압이 인가될 수 있도록, 전압 조절기(160)에 의하여 발광다이오드(10)에 인가되는 전압이 조절된다.

일 실시 예로, 전압 조절기(160)에 의해 발광다이오드(10)에 인가되는 순방향 전압을 증가시키면서, 발광다이오드(10)에서 발생하는 여기발광의 세기를 측정할 수 있다.

발광여기데이터 생성부(262)는 발광다이오드(10)에 인가되는 복수의 전압별로, 발광다이오드(10)의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성한다(S10).

일 실시 예로, 상태밀도 분석부(268)는 발광다이오드(10)의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 발광다이오드(10)의 발광 재결합율을 산출할 수 있다. 이에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

발광다이오드에서 양자우물의 상태 밀도는 소자의 발광효율을 분석하는데 중요한 요소이다. 도 5는 발광다이오드의 양단에 0(V)가 아닌 개방 회로 전압(Voc)이 인가된 개방 회로 조건에서 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.

예를 들어, InGaN 양자우물 구조를 갖는 청색 발광다이오드의 경우, 개방 회로(open circuit) 조건에서는 여기된 운반자들 중의 일부가 양자우물(QW)에서 발광재결합을 하고, 다른 일부는 양자우물(QW)에 쌓인 후 결국 양자우물(QW) 밖으로 넘쳐나게 된다.

양자우물(QW) 밖으로 넘쳐난 전자와 정공들은 벌크(bulk) 영역인 n-GaN, p-GaN에 각각 쌓이게 되며, 이 상황이 소자 내부에서 평형을 유지하게 된다. 그러므로 개방 회로 조건에서 발광다이오드 소자의 에너지밴드 구조와 양자우물 에너지 준위는 양쪽 벌크(bulk) 영역으로 넘친 운반자들(carriers)에 의해 영향받는다.

따라서 개방 회로 상태에서 여기광의 에너지에 따른 여기발광 스펙트럼(photoluminescence excitation spectrum)을 이용하는 경우, 절대적으로 흡수될 수 있는 에너지 준위를 측정할 수는 있으나, 발광다이오드 소자의 발광 재결합에 기여하는 에너지 준위를 정확하게 측정하기 어려울 수 있다.

도 6은 발광다이오드의 양단에 0(V)가 인가된 단락 회로 조건에서 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다. 개방 회로 조건과 달리 단락 회로(short circuit) 조건에서는 여기된 운반자들이 발광다이오드의 양단에 연결된 도선을 통하여 자유롭게 움직일 수 있다(Isc). 여기된 운반자들 중의 일부는 양자우물로 떨어져 발광재결합을 하게 되고, 다른 일부는 벌크 영역을 통과하여 도선으로 흐르게 된다.

결국 단락 회로 조건에서는 벌크 영역에 운반자들이 쌓이지 않게 되므로, 변화되지 않은 에너지밴드 구조와 에너지 준위를 유지하게 된다. 실제로 발광다이오드에 따라 개방 회로 조건, 단락 회로 조건에 따라 발광 파장이 다르게 나타난다.

따라서 단락 회로 상태에서 여기광의 에너지에 따른 여기발광(PLE) 신호를 측정하여, 에너지밴드 구조와 에너지 준위가 변하지 않은 상황에서 발광 재결합에 기여하는 에너지 준위를 정확하게 측정할 수 있다.

도 7은 발광다이오드에 순방향 전압 인가에 따른 발광다이오드 에너지 밴드 다이어그램의 변화를 보여주는 도면이다. SC1, SC2 는 발광다이오드에 O(V) 인가시의 발광다이오드 에너지 밴드 다이어그램을 나타내고, OC1, OC2 는 발광다이오드에 순방향 전압(Va) 인가시의 발광다이오드 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 발광다이오드는 인가되는 개방 회로 전압(Va)에 따라 에너지 밴드 구조가 변화한다. 순방향 전압이 증가할수록 p-bulk 영역의 전도대(conduction band)와 n-bulk 영역의 전도대의 에너지 차이는 감소한다. 또한 양자우물(QW)의 에너지 밴드 역시 전압의 영향으로 역방향으로 기울어지게 된다.

본 실시 예에 의하면, 서로 다른 전압을 가하면서 여기발광 스펙트럼(PLE spectrum)을 측정하여 발광다이오드의 상태 밀도를 정확히 측정할 수 있다. 단락 회로 조건에서는 여기된 운반자들 중의 일부가 발광재결합을 하여 빛을 내지만 다른 일부는 양자우물을 빠져나가 연결된 도선을 통하여 전류로 흐르게 된다.

순방향 전압을 증가시키면 양자우물을 빠져나가는 운반자들이 줄어들어 발광 재결합하는 운반자들이 늘어나며, 양자우물의 유효 밴드갭 에너지는 감소한다.

도 8a 및 도 8b는 발광다이오드에 인가되는 전압을 증가시키면서 측정한 여기발광 스펙트럼(PLE spectrum)(발광여기 데이터)을 보여주는 그래프이다. 순방향 전압이 증가할수록 발광재결합하는 운반자의 증가로 전체적인 여기발광(PLE) 세기가 증가함을 확인할 수 있다. 특정 전압이 넘어가면 로크인 증폭기의 감도보다 큰 신호가 측정되므로 광전 증배기(photomultiplier)의 감도를 줄여서 여기발광 세기를 측정할 수 있다.

정규화부(264)는 발광여기데이터 생성부(262)에 의해 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 기결정된 광자에너지(예를 들어, 3.2 eV)를 기준으로 정규화하여 발광여기 정규화 데이터를 생성한다(S20).

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따라 생성된 발광여기 정규화 데이터를 보여주는 도면이다. 정규화부(264)는 예를 들어 하기의 수식 1에 따라 발광여기 정규화 데이터를 생성할 수 있다.

[수식 1]

수식 1에서,

는 발광여기 정규화 데이터,

는 발광여기 데이터, P(3.2eV) 는 전압별로 측정된 발광여기 데이터의 3.2 eV 광자에너지의 여기발광 세기를 나타낸다.

도 10은 양자우물 에너지 밴드 다이어그램을 보여주는 도면이다. 기준 광자에너지(예컨대 3.2 eV)를 기준으로, 기준 광자에너지보다 작은 에너지 준위는 양자우물에 해당하는 영역이라고 생각할 수 있다. 따라서 각 전압 조건에서 측정된 발광여기 데이터(여기발광 스펙트럼)를 기준 광자에너지에서 정규화함으로써 인가 전압의 증가에 따른 양자 우물의 상태 밀도 변화를 확인할 수 있다.

발광여기 증분데이터 생성부(266)는 정규화부(264)에 의해 생성된 발광여기 정규화 데이터와, 발광다이오드(10)의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성한다(S30).

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라 생성된 발광여기 증분데이터를 보여주는 도면이다. 발광여기 증분데이터 생성부(266)는 0V 전압을 기준으로 증가한 인가 전압에 따른 상태 밀도의 증가를 예를 들어 하기 수식 2와 같이 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성할 수 있다.

[수식 2]

수식 2에서,

는 발광다이오드에 전압 V 인가시의 발광여기 증분데이터,

는 발광다이오드에 전압 V 인가시의 발광여기 정규화 데이터,

는 발광다이오드에 0V 인가시에 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터를 나타낸다.

상태밀도 분석부(268)는 발광여기 증분데이터 생성부(266)에 의해 생성된 발광여기 증분데이터 중에서 기결정된 광자에너지보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 발광다이오드(10)의 양자우물의 상태 밀도를 측정한다(S40).

도 11을 통하여, 기준 광자에너지(3.2eV) 준위 이하에서 인가 전압에 따른 상태 밀도의 증가를 확인할 수 있다. 즉 발광다이오드에 인가되는 전압에 따른 양자우물의 상태밀도 크기 증가와 에너지 준위에 따른 변화를 통하여, 발광다이오드 소자의 양자우물의 상태밀도를 정확하게 분석할 수 있다. 예를 들어, 발광여기 증분데이터 중에서 기준 광자에너지(3.2eV) 준위 이하에서의 피크 크기나 피크 면적이 클수록 상태 밀도가 높은 발광다이오드인 것으로 평가될 수 있다.

본 실시 예에 의하면, 발광다이오드에 인가되는 전압을 조절하고, 인가 전압에 따른 여기발광 신호를 측정하여 얻은 발광여기 데이터(여기발광 스펙트럼)을 정규화한 후 기준 발광여기 정규화 데이터와의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성하고, 발광여기 증분데이터 중에서 기준 광자에너지보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 발광다이오드의 양자우물의 상태 밀도를 정확하게 측정할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에는, 가변적인 에너지의 입사광에 따라 상기 발광다이오드에서 발생하는 광을 분석하여, 상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하는 단계와, 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 방법은 예를 들어 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM), SDRAM(Synchronous DRAM) 등과 같은 휘발성 메모리, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리 장치, PRAM(Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), FRAM(Ferroelectric RAM)과 같은 불휘발성 메모리, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 광학적 판독 매체 예를 들어 시디롬, 디브이디 등과 같은 형태의 저장매체일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

10: 발광다이오드
100: 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치
110: 광원
120: 단색광기
130: 단파장 투과필터
140: 초퍼
150: 빔스플리터
160: 전압 조절기
170: 대역통과필터
180: 광전 증배기
190: 로크인 증폭기
200: 데이터 분석 장치
260: 데이터 분석부
262: 발광여기데이터 생성부
264: 정규화부
266: 발광여기 증분데이터 생성부
268: 상태밀도 분석부

Claims

발광다이오드에 입사광을 제공하되, 상기 입사광의 에너지를 변화시키면서 상기 입사광을 상기 발광다이오드에 인가하는 광입사부;
상기 발광다이오드에 서로 다른 크기의 복수의 전압을 인가할 수 있도록, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절기; 및
상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로, 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하고, 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 데이터 분석부를 포함하며,
상기 데이터 분석부는, 상기 전압 조절기에 의해 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 발광 재결합에 기여하는 상태밀도 증가율을 산출하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치.
제1 항에 있어서,
상기 데이터 분석부는,
상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로, 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하는 발광여기데이터 생성부;
상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 기결정된 광자에너지를 기준으로 정규화하여 발광여기 정규화 데이터를 생성하는 정규화부;
상기 발광여기 정규화 데이터와, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성하는 발광여기 증분데이터 생성부; 및
상기 발광여기 증분데이터 중에서 상기 기결정된 광자에너지보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 양자우물의 상태 밀도를 측정하는 상태밀도 분석부를 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 광입사부는,
광을 공급하는 광원;
상기 광을 단색 파장으로 변화시키는 단색광기;
상기 단색 파장의 광을 투과시키는 단파장 투과필터;
상기 단색 파장의 광을 기결정된 주파수로 상기 발광다이오드로 제공하기 위한 초퍼; 및
상기 초퍼에 의해 상기 기결정된 주파수로 제공되는 상기 단색 파장의 광을 반사시켜 상기 발광다이오드로 상기 입사광을 제공하는 빔스플리터를 포함하고,
상기 입사광에 따라 상기 발광다이오드에서 발생하여 상기 빔스플리터를 투과한 빛 중 기결정된 파장 대역의 빛만을 통과시키는 대역통과필터와, 상기 대역통과필터를 통과한 빛의 강도를 전압 또는 전류로 변화시키는 광전 증배기와, 상기 광전 증배기에 의해 변화된 전압 또는 전류를 증폭시켜 상기 기결정된 주파수에 따라 측정하고 상기 단색 파장의 광이 기결정된 주파수로 상기 발광다이오드에 제공되도록 상기 초퍼를 동기화시켜 제어하는 로크인 증폭기를 포함하는 데이터 수집부를 더 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 장치.
발광다이오드에 입사광을 제공하되, 상기 입사광의 에너지를 변화시키면서 상기 입사광을 상기 발광다이오드에 인가하는 단계;
상기 발광다이오드에 서로 다른 크기의 복수의 전압을 인가할 수 있도록, 상기 발광다이오드에 인가되는 전압을 조절하는 단계;
상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로, 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하는 단계; 및
상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 단계를 포함하며,
상기 상태 밀도를 분석하는 단계는, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 발광 재결합에 기여하는 상태 밀도 증가율을 산출하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법.
제5 항에 있어서,
상기 상태 밀도를 분석하는 단계는,
상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 기결정된 광자에너지를 기준으로 정규화하여 발광여기 정규화 데이터를 생성하는 단계;
상기 발광여기 정규화 데이터와, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성하는 단계; 및
상기 발광여기 증분데이터 중에서 상기 기결정된 광자에너지보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 양자우물의 상태 밀도를 측정하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법.
삭제
가변적인 에너지의 입사광에 따라 발광다이오드에서 발생하는 광을 분석하여, 상기 발광다이오드에 인가되는 복수의 전압별로 상기 발광다이오드의 광자에너지 세기 분포를 나타내는 발광여기 데이터를 생성하는 단계와, 상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 상태 밀도를 분석하는 단계를 포함하되, 상기 상태 밀도를 분석하는 단계는, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 발광여기 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 발광 재결합에 기여하는 상태 밀도 증가율을 산출하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 상태 밀도 분석 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
제8 항에 있어서,
상기 상태 밀도를 분석하는 단계는,
상기 복수의 전압별로 생성된 발광여기 데이터를 기결정된 광자에너지를 기준으로 정규화하여 발광여기 정규화 데이터를 생성하는 단계;
상기 발광여기 정규화 데이터와, 상기 발광다이오드의 양단을 단락시킨 조건에서 측정된 기준 발광여기 정규화 데이터의 차이값을 산출하여 발광여기 증분데이터를 생성하는 단계; 및
상기 발광여기 증분데이터 중에서 상기 기결정된 광자에너지보다 낮은 광자에너지 범위의 데이터를 이용하여 상기 발광다이오드의 양자우물의 상태 밀도를 측정하는 단계를 포함하는 기록 매체.
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