Group III-nitride semiconductor based micro light emitting diodes (LEDs) have attracted much interest due to their superior properties such as high efficiency and stability. Based on the advantages, the micro LEDs are widely being utilized in various fields such as micro display, wireless communication, medical indicator, etc. However, it has been studied that reducing the size of the micro LEDs accompanies changes in electrical and optical properties such as wall-plug efficiency. To fully utilize the advantages of the III-nitride micro LEDs, comprehension on these chip size-dependent properties is highly desirable. In this dissertation, we studied chip size dependent optical and electrical properties of III-nitride micro LEDs fabricated by top-down and bottom-up processes, respectively. Physical mechanisms on the changes of properties with reducing chip size are studied and suggested. Finally, proper application fields as micro display and visible light communication are suggested. Firstly, for micro display application, blue and green micro LEDs with various chip size were fabricated by top-down process. From photoluminescence (PL) experiments, all the investigated micro LEDs showed decreasing PL efficiency with reducing size. However, the ratio of efficiency degradation to the efficiency of the bare LED wafer depended on the properties of the bare LED wafer, such as recombination rate and surface recombination velocity. From temperature dependent current density-voltage measurements, two different major current components are distinguished, and size-dependency of each current components are compared between blue and green micro LEDs. In addition, microscopic PL investigation on a single blue micro LED was carried out to investigate the physical origin of the chip size-dependent properties. Based on these investigations, we expect that more precise design on efficient micro LEDs is available. Secondly from bottom-up approach, 3-dimensional (3D) structures based phosphor-free white LEDs are grown by selective area growth technique. From cathode-luminescence and transmission electron microscope images, the broad emission in visible range was correlated to the structural properties. With chip fabrication optimized for the 3D structures, the 3D structure based LEDs showed much reduced leakage current with reliable electroluminescence from low injection current. The phosphor-free white LEDs showed much faster electrical-to-optical modulation properties compared to conventional phosphor-based white LEDs. Based on these investigations, we suggested the 3D structure based phosphor-free white micro LEDs as a new candidate for indoor lighting as well as visible light communication transceiver. From two approaches, we investigated chip size dependent optical and electrical properties of group III-nitride semiconductor based micro LEDs and their optimized application fields. Based on these investigations, we expect more precise design and fabrication of micro LEDs are available, to be utilized more effectively in variety of application fields.
질화물 반도체 기반의 마이크로 발광다이오드는 높은 효율과 안정성 등의 장점으로 인해 마이크로 디스플레이, 가시광 무선통신 등의 분야에서 각광받고 있다. 하지만 크기 감소에 따른 전기 및 광학적 특성의 차이에 대한 심도 깊은 이해가 필요하다. 본 학위논문에서는 top-down 및 bottom-up 기법으로 질화물 반도체 기반 마이크로 발광다이오드를 제작하고, 그 크기에 따른 특성을 분석하여 보다 효율적으로 활용하기 위한 방안을 제시하고자 한다. 첫째로 Top-down 기법을 통해 다양한 크기로 제작한 청색 및 녹색 마이크로 발광다이오드는 공통적으로 크기가 감소함에 따라 광 여기 발광 효율이 감소하는 특성을 보였으나, 웨이퍼의 효율 대비 크기에 따른 효율 변화율은 웨이퍼 특성에 따라 상이하게 관측되었다. 나아가 온도변화 전압-전류밀도 특성 분석을 통해 청색 및 녹색 마이크로 발광다이오드에서의 전류 성분을 비교하고, 각 전류 성분이 크기 변화에 따라 달라지는 양상을 관측하였다. 나아가 하나의 청색 마이크로 발광다이오드 내에서 위치에 따른 광 여기 발광 특성을 관측함으로써, 크기에 따른 광학적 특성의 변화가 어떤 물리적 변화에 기인하는지 분석하고자 하였다. 이러한 분석을 기반으로 top-down 마이크로 발광다이오드의 크기에 따른 효율을 더욱 면밀히 예측할 수 있을 것으로 기대한다. 둘째로 Bottom-up 선택적 성장 기법을 통해 제작한 3차원 구조체는 다양한 결정면으로부터 서로 다른 파장의 빛이 방출되는 것을 활용하여 무형광체 백색 발광다이오드로 제작되었다. 다양한 반극성면 및 극성면이 존재하는 구조체 내에서 가시광 대역을 넓게 아우르는 발광이 일어날 수 있는 원인을 음극성 발광 및 투과전자현미경 사진을 통해 분석하였다. 이어서 3차원 구조체 기반 발광다이오드의 전기적 효율을 증대하기 위한 공정을 진행하여 제작한 무형광체 백색 발광다이오드는 낮은 전류에서도 안정적인 전장 발광을 보여주었다. 다양한 크기의 무형광체 백색 발광다이오드에 대한 전기-광 변조 실험으로부터 크기가 감소할수록 -3 dB 차단주파수가 증가하여 조사한 시료에서 최대 370 MHz의 차단주파수가 관측되었다. 이를 통해 3차원 구조체 기반의 무형광체 백색 마이크로 발광다이오드가 실내 조명과 가시광 무선통신에 동시에 적용 가능한 소자임을 제안하였다. 위와 같이 본 학위논문에서는 top-down 및 bottom-up 기법으로 제작한 질화물 반도체 기반 마이크로 발광다이오드의 크기에 따른 특성을 분석하고 그 활용 방안을 제안하였다. 이러한 연구 결과를 기반으로 마이크로 발광다이오드를 더욱 정교하게 설계 및 제작하여 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
