This thesis can be summarized in three parts. The first one is a simple optical property modeling of microcrystalline silicon (μc-Si) by the effective medium approximation (EMA) method. This material is adapted to a window layer of thin-film light-emitting diode (TFLED). The second part is concerned with fabrication and performance improvement of TFLED using an amorphous carbon (a-C:H) thin film as a luminescent active layer. The last part comprises some applications of UST technique to the characterizations of TFLED for improving the material and device performance. This UST technique has recently been employed for defects engineering.
At first, form the EMA method, it is possible to explain the optical behavior of μc-Si easily by simply assuming that μc-Si is composed of two-phase mixture of amorphous silicon (a-Si) and crystalline silicon (c-Si) with volume fractions of $f_a$ and $f_c$, respectively. From this simple assumption, the optical absorption behavior of μc-Si could be understood. It can be found from EMA method that the higher crystalline volume fraction of μc-Si results in the lower absorption characteristics, and also that a-Si embedded in the c-Si contains little hydrogen. When the doping concentration increases, the crystalline volume fraction decreases and embedded a-Si begins to contain hydrogen. It is thought that the embedded a-Si reveals a high optical bandgap and that p type μc-Si has a lower absorption spectra than n type μc-Si over all visible spectrum. Whin using normal doping ratios, the optical bandgap of p type is greater than that of n type μc-Si which is nearly the same as undoped μc-Si. Accordingly, p type μc-Si can be used as a window layer for TFLED.
Secondly, when we used an intrinsic a-C:H thin film with a thickness 25 nm as an active layer of a p-i-n type TFLED, we could observe the blue-shifted light emission from the device without using any hydrogenation technique or p/i or i/n interface band grading for enhancing electroluminescence (EL) characteristics. This blue shifted is caused by bandgap widening form 2.4 eV to 3.2 eV for a-C:H. While the injection carriers go through the active a-C:H layer with an optical bandgap of 3.2 eV, the injected electrons and holes recombine through tail-states, resulting in a 600 nm wavelength light emission. The current transport mechanism of the TFLED could be explained by the ohmic current near the subthreshold region and the Fowler-Nordheim tunneling current over the threshold voltage.
In the last part, Using ultrasound treatment (UST) technique, we improved electro-optical properties of the fabricated TFLED. Through a room temperature UST on a-C:H TFLEDs, we confirmed that the series resistance of the TFLEDs depends strongly on the UST voltage without change of the threshold voltage, peak wavelength and FWHM of EL spectrum. If material properties of the luminescent active layer of a-C:H are enhanced by the room-temperature UST, not only improvement of EL intensity and optical power under the same injection current condition but also a blue-shifted EL peak and narrowing of FWHM of EL spectrum must be monitored. However, there are only improvement of the on-current conductance and EL intensity without changes in the peak and FWHM of the EL spectra. Therefore, it is concluded that the improvement of the on-current conductance results from the reduction of p/i, i/n, Sn$O_2$/p and n/Al interface resistance. Moreover, the increase in the EL intensity can be explained as due to the enhanced radiative recombination resulting from lower field applied to the active layer under the same current injection condition. Increasing the UST temperature during UST experiment, not only brightness and blue-shifted emission, but also FWHM of the emission spectrum were observed. These results are due to the minimization of defect states within bandgap.
본 논문은 크게 3가지 부분으로 나눌 수 있다. 그 첫 번째로 미결정 실리콘의 광학적 특성 모델링으로서, 유효질량근사법을 사용하여 발광 박막 다이오드의 창층역할을 하는 미결정 실리콘의 광학적 특성을 규명하는 내용이다. 두 번째로는 비정질 탄소 박막을 발광 활성층으로 이용한 발광박막다이오드의 제작에 관한 것이며 마지막 세 번째 부분은 제작된 발광박막다이오드의 특성향상을 위하여 초음파처리를 이용하는 내용이다.
첫 번째로 유효질량근사법을 이용하면, 미결정 실리콘이 결정 실리콘과 비정질 실리콘 각각의 일정한 체적비를 갖고 구성 되었다는 간단한 가정을 통하여 그 광학적 특성이 간단히 설명될 수 있게 된다. 언급된 모사를 통하여 결정분률이 커질수록 미결정 실리콘의 광흡수는 작아지며 포함된 비정질 실리콘은 보다 적은 수소를 함유하게 된다. 불순물 첨가가 커질수록 결정분률은 작아지며 포함된 비정질 실리콘은 보다 많은 수소를 함유하게 됨을 알 수 있다. 따라서 포함된 비정질 실리콘 부분은 보다 큰 광학적 밴드갭을 가지는 것으로 보이며, p형 미결정 실리콘이 n형 미결정 실리콘보다 가시광영역에서 보다 적은 흡수를 보이는 것으로 생각된다. 보통의 불순물 첨가 조건에서, p형은 n형보다 광학적 밴드갭이 크며 무첨가 미결정 실리콘에 비견할만 하다. 따라서 p형 미결정 실리콘은 발광박막다이오드의 창층으로 적당할 것으로 여겨진다.
두 번째로 비정질 탄소 박막을 발광활성층으로 이용할 때, 두께 25 nm 비정질 탄소 박막을 사용한 경우 비정질 탄화실리콘을 사용하는 경우 보다 좀더 단파장으로 옮겨간 발광특성을 얻을 수 있었다. 비정질 탄소박막을 이용한 경우 수소화법이나 p/i또는 i/n계면의 밴드완충층을 사용하지 않고도 우수한 발광특성을 얻을 수 있었던 이유로는 광학적 밴드갭 (3.2 eV)이 비정질 탄화실리콘 (2.4 eV)의 그것 보다 크기 때문이다. 또한 전기적 측정을 통하여 전류흐름 메카니즘이 가해주는 전압에 따라 크게 두가지로 나눌 수 있다. 낮은 인가전압에서는 저항전류성분이 주요하며 높은 인가전압에서는 Fowler-Nordheim 터널링전류가 주요하게 작용한다.
마지막 세 번째 부분에서는 초음파처리를 통한 기 제작된 발광박막 다이오드의 특성변화를 살펴보는 것으로 세부적으로 다시 세 부분으로 나뉜다. 첫 번째는 상온에서 초음파처리를 할 경우, 문턱전압 및 발광스펙트럼에는 변화가 없이 다이오드 직렬저항 성분이 줄어들었음을 보였다. 만약 상온 초음파처리를 통하여 발광활성층의 재료특성이 변했다면 발광스펙트럼이 많이 변했어야 했지만 그렇지 않은 것으로 보아 발광활성층의 재료 특성은 변하지 않았음을 알 수 있었다. 두 번째로는 이러한 직렬저항성분 감소를 규명하기 위하여 펄스전압구동에서의 전류흐름을 관측한 것으로, 저항성분이 감소할수록 펄스구동에서의 전류동작이 훨씬 빨라짐을 보였다. 또한 관측된 시상수로부터 다이오드의 캐패시터 성분 및 직렬저항성분을 정량화하였다. 세 번째로, 초음파처리시 온도를 올려서하는 경우, 발광빛의 색순도가 높아질 뿐아니라 밝기도 처리전보다 4배이상 향상됨을 보였다. 이러한 특성향상은 초음파처리시 가해준 온도와 진동에너지가 발광활성층 밴드갭 내의 결함준위를 줄여주는 것으로 사료된다.
