Moss-Burstein Effect (Band-filling effect)
Moss-Bursten effect라고 하면 뭔가 전문용어같고 생소하지만, 동의어인 "Band-filling" 이라고 하면 그나마 이해하기 편하다. 풀어서 해석하면 Band가 채워진다는 내용이겠지? 그러면 n-type반도체의 간단한 밴드구조를 시작으로 이 상황을 살펴보도록 하자.
n-type반도체의 페르미레벨은 CB(Conduction Band)에 가까이 위치해 있다. 여기서 도핑을 하게 되면 페르미 레벨은 점점 상승하게 되고, 우리가 살펴볼 상황은 과도핑한 상황. ( Ec-Ef≤3kT )
아래의 그림을 살펴보자.
① donor를 high doping(과도핑)하고 나면, electron concentration(전자 농도)이 점점 증가하고, ΔΕ만큼 페르미레벨이 상승하게 된다.
② 이 페르미레벨의 이동을 Moss-Bursten shift 라고 한다.
결론적으로 Initial band gap에 비해 Optical band gap은 커지게 되고, 이를 Band filling라 한다. 이는 degenerate semiconductor에서 주로 관찰되는 현상이다.
③ 결과를 분석해보면, initial bandgap에서 electron과 hole이 만나 radiative recombination을 하며 방출했던 파장보다 더 짧은 파장을 방출하게 된다. 이를 blue-shift라고 부른다. 반대로 기존의 bandgap보다 큰 파장을 방출하면 red-shift라 한다.
※ 추가설명
이것이 반도체에서 중요한 의미를 갖는 이유는 OLED에서 매우 중요한 Radiative recombination의 효율, 즉, EQE를(External Quantum Efficiency) 증가시키기 위해서다.
Micro-LED에 대해 잠깐 설명을 덧붙이면, 큰 사이즈의 LED가 current spreading이 잘 안되는 반면, 작은 사이즈를 가지는 LED는 current spreading과 heat dissipation이 잘 된다. 그러나! 작은 사이즈로 만들면 생기는 단점은 dry etching공정을 통해 생긴 sidewall effect 때문에 auger recombination과 같은 non-radiative recombination이 발생하고 이것이 leakage를 발생시킨다. 이를 passivation(surface treatment)를 통해 제거하고 나면 EQE가 전체적으로 증가하게 되고 다음과 같은 3가지 장점을 얻을 수 있다.
1. better current spreading
2. better heat dissipation
3. better extraction
※ surface treatment가 중요한 이유는 다음 필기를 참고.
<Plasma-induced damage effect를 완화시키기위한 Surface treatment>
Annealing for 3 min in air
KOH treatment
(NH₄)₂S treatment
AN₂ plasma treatment
위의 그래프를 보면, maximum EQE가 LED사이즈가 줄어듬에 따라 작아지는 것을 알 수 있다. 그리고 사이즈가 작아질수록 maximum EQE는 더 높은 current densities 에서 얻어진다. 이는 작은 구조의 sidewall defect에 의해 발생한 leakage current, Shocley-Read-Hall(SRH) non-radiative recombination에 기인한다.
마지막으로 정리해보면, LED구조 포스팅에서 언급했던 LED구조의 current spreading layer에서 p-type의 경우, 낮은 carrier concentration로 인해 spreading이 잘 안되고, current crowding이 생기는데 이는 EQE를 낮추기 때문에 치명적 단점이다. 이는 주로 auger recombination, carrier overflow, local overheating 때문에 일어난다. 오늘 포스팅에서 이야기했던 band-filling effect나 self-heating-induced bandgap shrinkage는 blue-shift나 red-shift의 원인이 된다.
결론은 surface treatment한 micro-LED가 짱이라는 것 ㅋㅋ
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