Owing to the increasing demand for new future display technology for augmented reality (AR), virtual reality (VR), hologram, micro-light-emitting diodes (μLEDs) based on III-nitride and AlGaInP have received much attention due to their advantageous properties of high efficiency, high brightness, and high stability. Despite the high potential of μLEDs, the size-dependent efficiency degradation issues, such as the decrease in maximum external quantum efficiency (EQE) and shift of current density showing maximum EQE to higher current region, have acted as a bottleneck for high-efficiency operation of μLEDs. These size-dependent efficiency degradation issues increase the power consumption of display and lower the stability of μLEDs display, and it is widely known that the inductively-coupled-plasma reactive ion etching (ICP-RIE) process for pixelation of μLEDs induces plasma damage in the mesa sidewall, which acts as trap site increasing the Shockley-Read-Hall recombination, decreasing EQE. Size-dependent issues did not arise in LEDs for lighting purposes and in mini-LEDs for backlight purposes due to their low surface-to-volume ratio, however, the dominancy of sidewall effects increases with decreasing size of the μLEDs. To tackle the size-dependent efficiency degradation issues, surface passivation methods to chemically remove the plasma damage, or unconventional pixelation methods to prevent the formation of plasma damage have been reported. However, the reported methods are focused on the post-epitaxial growth process, and could not provide a perspicuous explanation on carrier dynamics in μLEDs. Moreover, previous studies on epitaxy design and optimization are focused on LEDs with large size and high operating current density, which is not optimized to μLEDs due to the difference in operating mechanism and operating current density region. In this thesis, we suggest that new carrier dynamics in μLEDs are introduced by the decreased size of μLEDs, and based on the carrier dynamics, we re-designed the epitaxial structure to increase the external quantum efficiency and mitigate the size-dependent efficiency degradation issues. As a result, the fabricated μLEDs showed a very high external quantum efficiency at a low current density of 0.1~1 A/cm2. We believe that our new carrier dynamics and new epitaxial design is the important milestone to the realization of low-current driven μLEDs display.
미래의 디스플레이의 형태인 AR/VR/hologram 용 디스플레이는 광원과 육안의 거리가 굉장히 가깝거나 혹은 광원에서 빛이 퍼지게 되는 형태를 띠고 있기 때문에 초고해상도의 광원 개발이 중요하다. 이러한 수요로 인해, 고효율, 고휘도, 고신뢰성을 가지고 있는 무기물 기반인 III-Nitride 혹은 InGaAsP 계열 물질로 만들어진 마이크로-LED가 각광을 받고 있다. 그러나, 무기 마이크로-발광다이오드 디스플레이는 개별 소자의 크기가 작아질 수록, 소자의 외부양자효율이 감소하게 되고, 최대 EQE를 달성하는 전류밀도가 고전류밀도 영역대로 밀려나게 되는 고질적 문제를 겪어왔다. 이러한 효율 감소의 현상들은 InGaN 물질을 기반으로 하는 초고해상도 마이크로-발광다이오드 디스플레이의 전력소비를 증가시키고, 신뢰성이 낮아지게 된다. 기존 연구에 의하면 효율 감소의 현상들은 주로 발광다이오드의 픽셀을 정의하기 위해 쓰이는 inductively-coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) 공정으로 인해서 마이크로-발광다이오드의 측벽에 생기는 플라즈마 손상으로 인한 것인데, 해당 손상은 다이오드의 결함으로 발생하는 Shockley-Read-Hall 결합을 증가시켜서 저전류밀도 영역대의 양자효율을 감소시킨다. 이러한 문제점은 기존 조명용 및 mini-LED 용도의 소자 크기는 마이크로-발광다이오드보다 커서 표면적 대 부피 비율이 낮아 문제가 되지 않았으나, 마이크로-발광다이오드의 소자 크기는 주로 100 μm 보다 작기 때문에 소자 크기의 작아짐에 따라 표면적 대 부피 비율이 급격하게 증가하게 되며, 소자가 표면의 영향을 많이 받게 된다. 소자 크기 감소에 따른 효율 저하 현상을 해결하기 위해 측벽에 생긴 플라즈마 손상을 화학적으로 제거하거나, ICP-RIE 공정을 사용하지 않고 픽셀 정의를 하는 여러 연구가 진행되었으나, 이러한 연구들은 epitaxy growth 이후 소자 제작 공정의 기술에 대한 연구에 집중되어 있고 에피탁시 내부에서 일어나는 캐리어들의 역학에 대해서는 설명하지 못하고 있다. 또한, 기존의 InGaN 기반 발광다이오드의 에피탁시의 디자인과 최적화에 관련된 연구는 큰 사이즈, 고전력 구동 발광다이오드에 집중되었고, 이러한 연구들은 마이크로-발광다이오드의 구동 메커니즘과 구동 전력 차이로 인해서 맞지 않는다. 따라서, 본 연구에서는 마이크로-발광다이오드의 소자 크기가 감소하여 에피탁시 내부에 새로 도입되는 캐리어의 역학을 제시하고 해당 캐리어의 역학을 근거로 하여 저전류 밀도 영역대의 양자효율을 높이고, 크기에 따른 효율 저하 문제를 해결하고자 InGaN 물질을 기반으로 하는 발광다이오드 에피탁시를 제안하고자 한다. 뿐만 아니라, 해당 에피탁시를 성장하고 소자로 제작하여 0.1~1 A/cm2의 낮은 전류밀도 범위에서 매우 높은 양자효율을 확인하였다. 본 연구가 제시하는 마이크로-발광다이오드의 물리적 캐리어 메커니즘과 새로운 에피탁시 설계가 초고해상도 저전력 구동 디스플레이의 실현에 기여하는 중요한 계기가 되기를 기대한다.
