Microtube Light-Emitting Diode Arrays with Metal Cores

3차원 나노구조 LED는 기존의 박막 LED에 비해 동일한 크기의 기판에서 훨씬 넓은 발광면적을 가질 뿐 아니라 광추출률 또한 높기에 기존의 LED보다 발전된 형태의 차세대 발광소자로 주목 받고있다. 또한 3차원 나노구조 LED를 이용하면 서로다른 특성을 가지는 나노, 마이크로 크기의 결정면을 이용하여 기존의 박막 LED로는 구현하기 힘들었던 다색 LED를 동일한 기판 위에 제조가 가능하며, 비극성/반극성 결정면을 발광면으로 사용하기에 박막 LED의 효율을 떨어뜨리는 양자 구속 스타크 효과(quantum confined Stark effect)의 영향도 적게 받을 수 있다. 본 연구에서 주목한 3차원 나노구조 LED의 성질은 입체적인 구조에서 오는 독특한 전류 퍼짐(current spreading) 특성이다. 본 연구진은 나노구조 LED의 독특한 전류퍼짐 특성을 이용하여 서로 다른 발광층에 선택적으로 전류를 주입하여 발광 색상 조절이 가능한 LED를 제조한 바 있다. 하지만 매우 밝은 LED 또는 레이저를 제조하기 위해서는 선택적 전류 주입이 아닌 균일하고 높은 밀도의 전류를 나노구조 LED의 발광층 전체에 주입해 줄 필요가 있다. 서울대 이규철 교수 연구진은 이와 같은 전류퍼짐 특성은 기존의 나노, 마이크로 LED에서 일반적으로 사용하던 소자 구조로는 한계가 있다는 것을 밝혔으며, 금속 코어를 가지는 마이크로튜브라는 새로운 구조의 LED를 제안하여 우수한 전류퍼짐과 발광 특성을 가지는 3차원 나노구조 LED를 시연하였다. 이 연구는 3차원 나노구조 LED 분야에서 연구가 거의 이루어지지 않던 전류퍼짐 특성이 소자의 성능에 핵심적인 영향을 가질 수 있다는 사실을 보여줌으로써, 고성능의 나노구조 LED 개발을 위한 초석을 마련하였다는데 연구의 의의가 있다.

We report the fabrication and characteristics of vertical microtube light-emitting diode (LED) arrays with a metal core inside the devices. To make the LEDs, gallium nitride (GaN)/indium gallium nitride (InxGa1–xN)/zinc oxide (ZnO) coaxial microtube LED arrays were grown on an n-GaN/c-aluminum oxide (Al2O3) substrate. The microtube LED arrays were then lifted-off the substrate by wet chemical etching of the sacrificial ZnO microtubes and the silicon dioxide (SiO2) layer. The chemically lifted-off LED layer was then transferred upside-down on other supporting substrates. To create the metal cores, titanium/gold and indium tin oxide were deposited on the inner shells of the microtubes, forming n-type electrodes inside the metal-cored LEDs. The characteristics of the resulting devices were determined by measuring electroluminescence and current–voltage characteristic curves. To gain insights into the current-spreading characteristics of the devices and understand how to make them more efficient, we modeled them computationally.

\"Microtube Light-Emitting Diode Arrays with Metal Cores\"
ACS Nano, Article ASAP
DOI: 10.1021/acsnano.5b07905
Publication Date (Web): February 8, 2016

Authors: Youngbin Tchoe, Chul-Ho Lee, Jun Beom Park, Hyeonjun Baek, Kunook Chung, Janghyun Jo, Miyoung Kim, and Gyu-Chul Yi*