Micro/Deep UV LEDs

(Micro-/Deep UV-LEDs)
DISPLAY & ENERGY DEVICES

Micro/Deep UV-LEDs

Microscale light-emitting diodes (µLEDs) have become an emerging technology for use in practical applications including visible light communication for advanced wireless communication, optogenetics for neuron networks, and self-emissive micro-displays for high-pixel-per-inch images.

 Microscale light-emitting diodes (µLEDs) have become an emerging technology for use in practical applications including visible light communication for advanced wireless communication, optogenetics for neuron networks, and self-emissive micro-displays for high-pixel-per-inch images. However, because it has a smaller pixel size (<100 µm) compared to that of conventional LEDs, the light extraction from the active layer of µLEDs is limited by the opaque p-type metal electrode; therefore, the ratio of the emission area to the pixel size of µLEDs is low, which inhibits light extraction. To extract more light from µLEDs, the emission area should be expanded by reducing the area of the p-type metal electrode. However, this decreases the current density of µLEDs because the contact area covered by the metal electrode is reduced. Several groups have reported improved electrical and optical properties of µLEDs by changing the pixel shape to alter the path of light extraction and/or preventing re-absorption in the device, or by removing defect states causing a non-recombination process by passivating the sidewall of the µLED. In addition to these efforts, the effect of the p-type contact structure with a lateral oxide-confined scheme was investigated to achieve a high current density with the µLED. Although all of these techniques were effective in improving either light extraction or electrical characteristics, there have been few reports to date on the simultaneous enhancement of the optical and electrical properties.

  UV LED is a diode that emits light in the ultraviolet region (<280 nm) as well as the near ultraviolet (280-400 nm) region. The LED market makes a giant leaf with expanding its application to BLU, lighting and automotive etc. With the UV LED power increasing (increment), the technology is also used in a wider range of applications. However, ITO based LEDs have some issues such as ohmic contact problem and degradation due to light absorption. To solve this problem, graphene, metal nanowire, thin metal, metal oxide based electrodes are being studied and technologies such as PhCs, PSS, mesh-type, and surface roughening are also being studied; however, the electrode structure (or material) having the high transmittance in the UV region and good electrical performances (ex. Current density) in the device has not been proposed yet.

 In our study, we are developing micro- & deep UV-LEDs with high efficiency by demonstrating the use of highly transparent (>98%) and conductive wide-bandgap materials (ex. SiO2, AlN) as p-type contact electrodes, instead of conventional ITO films. The proposed p-type contact electrodes can form the direct ohmic contact with high-resistance semiconductors such as p-AlxGa1-xN by engineering the material’s band-gap and be applied to top-emitting lateral LED and bottom emitting flip-chip LED; therefore it is impossible to achieve high performance and high efficiency DUV LEDs. In addition, we are also studying the advanced array-based µLED display technology with high resolution and high density by utilizing the proposed electrodes.

 마이크로 LED광원은 뉴런 네트워크용 광유전학, 차세대 광통신, 고해상도 마이크로LED 디스플레이 등과 같은 실용적인 응용분야에서 떠오르는 핵심 광원 기술로서 여겨지고 있다. 하지만, 기존 대면적 LED에 비해 픽셀 사이즈가 작기 (<100 µm) 때문에 활성층에서 생성된 빛은 상대적으로 넓은 면적의 불투명한 금속 전극에 의해 가려지게 되어 픽셀 사이즈 대비 낮은 발광 영역을 갖게 된다. 그런데 전극 면적은 소자의 전류밀도 (발광 세기)와 밀접한 관련이 있어 전극 면적을 줄이는데 일정한 한계를 갖게 된다. 이러한 마이크로 LED 소자의 광학적인 특성과 전기적인 특성간의 한계를 극복하고자 다양한 연구 그룹에서는 마이크로LED의 픽셀 모양을 변화시켜주거나 side-wall 부분은 비발광재결합을 줄일 수 있는 passivation 기술, 또는 새로운 타입의 p-type contact 전극 구조 등을 제시하였으나, 두 가지 특성을 효과적으로 향상시켜 주기에는 다소 제한적인 기술들이었다.

 

 자외선 (UV) LED란 근자외선 (280~400 nm) 영역뿐만 아니라 심자외선 영역 (< 280 nm)의 빛을 발광하는 다이오드 소자이다. LED의 사용은 현재 BLU, 조명, 자동차 등의 분야에서 급격히 증가하고 있으며, 특히 UV 영역의 LED 역시 고효율화, 고출력화에 따라 기존의 수은, 메탈할라이드를 이용한 자외선 램프를 대체해 나가며 사용이 확대되고 있다. 하지만, 단파장의 영역으로 갈수록 ITO투명전극 기반의 LED들은 오믹접합의 문제나, 광 흡수에 의한 효율 저하 등의 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 graphene, metal nanowire, thin metal, metal oxide, conductive polymer 기반의 전극을 사용한 연구가 진행되고 있으며, PhCs, PSS, mesh-type, surface roughening 등의 기술도 같이 연구되고 있으나, 아직 UV 영역에서 높은 투과성과 소자 전류밀도를 동시에 만족하는 전극구조는 제시되지 못한 상태이다.

 

 본 연구실에서는 일반적으로 사용되어지는 투명전극 (ex. ITO)을 대신하여 UV 및 가시광에서 투과도가 매우 높은 (>98%) wide-bandgap 물질 (ex. SiO2, AlN) 기반의 유리투명전극을 활용하는, 고효율 마이크로 LED 및 Deep UV LED 를 개발하고자 한다. 이에, 유리투명전극의 밴드갭을 조절함으로써 오믹접합을 유도하여 top-emitting 방식의 lateral LED와 bottom emitting 방식의 flip-chip LED에 적용하여 고성능/고효율의 LED를 제작하는 연구를 진행하고 있으며, 전사기술이 필요 없는 고밀도의, 고해상도의 마이크로 LED 어레이 기반의 디스플레이 응용 기술 또한 연구하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

대표업적

Small 14, 1801032 (2018)

IF 9.598; JCR 6.507%
“Nitride-based microlight-emitting diodes using AlN thin-film electrodes with nanoscale indium tin conducting filaments ”
Journal of Alloys and Compounds 776, 1009-1015 (2019)
IF 3.779; JCR 4.667%
“Al2O3/AlN/Al-based backside diffuse reflector for high-brightness 370-nm AlGaN ultraviolet light-emitting diodes”
ACS Applied Materials & Interfaces 9, 43774-43781 (2017)
IF 7.504; JCR 7.818%
“Highly efficient deep-UV light-emitting diodes using AlN-based, deep-UV transparent glass electrodes”
ACS Applied Materials & Interfaces 9, 24357-24364 (2017)
IF 7.504; JCR 7.818%
“AlN/ITO-based hybrid electrodes with conducting filaments: Their application to ultraviolet light-emitting diodes”
Journal of Alloys and Compounds 773, 490-495 (2019)
IF 3.779; JCR 4.667%
“Fabrication of HfO2TiO2-based conductive distributed Bragg reflectors, Its application to GaN-based near-ultraviolet micro-light-emitting diodes”
ACS Applied Materials & Interfaces 10, 40967-40972 (2018)
IF 8.097; JCR 8.947%
“Chromium Nickel-doped silicon oxide thin film electrode Mechanism and application to microscale light-emitting diodes”

Micro LEDs

유리투명전극내 필라멘트를 통한 Micro LED에서의 전류주입 메커니즘 연구
Micro LED 어레이 구조에서의 효과적인 전류주입을 위한 투명전극 구조제작 연구
전기적 도핑기법을 활용한 고밀도, 고해상도의 Lateral-type micro LED display 구현 연구

Deep UV LEDs

Lateral LEDs
Transparent electrode
MIM 구조를 통한 Cu의 Electrical doping 효과와 Cross plane 방향의 Seebeck 계수 측정을 위한 플렛폼 그림
Flip-chip LEDs
Ohmic reflector
MIM 구조를 통한 Cu의 Electrical doping 효과와 Cross plane 방향의 Seebeck 계수 측정을 위한 플렛폼 그림
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