Analysis and Design of High-Brightness LEDs

고휘도 LED의 구조 해석 및 설계

Design principles for high-brightness ligh-temitting diodes have been derived by using escape cone concepts. Based on the design principles, some important high-brightness LED structures developed thus far have been reviewed and, in addition, their external coupling efficiencies have also been estimated. In AlGaAs or InGaAIP LEDs, in which photon absorption in the ohmic electrodes is known to be serious, photon shielding by the electrodes is minimized by using window layer (WL) as well as transparent substrate (TS) leading to significantly improved light-emitting efficiency. However, in InGaN LEDs emitting blue to green lights, the photon absorption in ohmic contact to wide bandgap GaN may be negligible and therefore, photon shielding by the electrodes would not lead to as significant problems as in conventional In AIGaAs or InGaAIP LEDs.

Escape cone 개념에 바탕을 둔 구조 해석을 통해 고휘도 LED의 설계 이론을 확립하였다. 확립된 설계이론에 근거하여 최근까지 개발된 중요한 고휘도 LED의 구조들을 비교/분석하였으며, 각각의 구조에서 출력결합효율을 대략적으로 계산하였다. Ohmic전극 영역에서의 광자 손실이 매우 심각한 것으로 알려진 AlGaAs 또는 InGaAIP LED의 경우, window layer(WL)와 transparent substrate(TS)를 활용하게 되면 전극에 의한 광자의 차폐효과가 크게 감소되어 발광효율이 크게 개선된다. 청색으로부터 녹색까지 상당히 넓은 영역에 걸친 발광특성을 갖는 InGaN LED 경우의 중요한 차이점의 하나는 WL를 사용하지 않으면서도 괄목할만한 발광효율을 얻어 낼 수 있다는 사실인데, 그 원인은 GaN와 같은 넓은 bandgap을 갖는 반도체의 경우 ohmic 전극에서의 광자의 손실이 상대적으로 미미하며 그 결과로 전극에 의한 광자의 차폐현상이 상대적으로 큰 문제가 되지 않기 때문인 것으로 분석된다.