반도체(Semiconductor)는, 전자가 가득 채워져 있는 ‘가전자대'(Valence Band)와 에너지를 받아 자유 전자가 이동가능한 ‘전도대'(Conduction Band)로 이루어져 있는 ‘에너지 밴드 갭'(Energy Band Gap)을 가지고 있습니다. 일반적으로 전류가 흐르지 않는 ‘부도체'( Insulator)의 경우, 에너지 밴드 갭이 너무 커서 큰 에너지를 받아도 ‘전자’는 ‘전도대’까지 도달하지 못하므로 자유전자가 될 수 없고 전자의 흐름이 있을 수 없어 ‘부도체’가 됩니다. 반면에 금속은 전도대와 가전자대가 중첩되어 있는 상태라 미세한 전류에도 전자가 자유롭게 이동할 수 있어 ‘도체'( Conductor)라고합니다. 에너지 밴드 갭(=Eg)의 간격이 적당하게 있을 경우, Eg에 해당되는 만큼의 에너지를 주었을 때 자유전자는 전도대를 이동할 수 있게 됩니다. 즉 ‘도체’ , ‘반도체’ , ‘부도체’는 에너지 밴드 갭의 차이에 따라 구분할 수도 있습니다.
1. 빛의 생성
에너지 밴드 갭 보다 큰 에너지를 받은 에너지 밴드 갭에서는 전자( Electron)가 여기 되어 전도대로 올라가게 되고 동시에 가전자대에는 정공(Hole)이 생기게 됩니다. 시간이 흐르면서 전자가 에너지 밴드 갭 아래, 즉 전도대의 전자가 가전자대로 떨어지면서 에너지 밴드갭에 해당되는 만큼 빛 에너지가 방출하게 됩니다.
a) 빛의 방출 과정
LED구조에서 액티브 레이어에 해당되는 재료의 에너지 밴드(Eg)에 전류를 흘려 Eg의 값보다 큰 에너지를 흘려주면 전자가 에너지 밴드의 전도대로 여기 되어 자유롭게 돌아다니던 ‘자유전자’가 가전자대로 떨어지면서 ‘정공’과 재결합을 하면서 가지고 있던 에너지를 빛에너지, 즉 hν로 방출하게 됩니다. 정공은 물병 속에 들어있는 물방울과 같습니다. 공기로 이루어져 있는 물방울이 자유롭게 물병 속을 돌아다니듯 정공도 가전자대 내에서 자유롭게 돌아다니다가 시간이 흘러 전도대에서 내려온 전자와 정공이 만나 재결합을 하면 에너지 밴드 갭의 간격에 해당되는 빛의 에너지를 방출하게 됩니다.
b) 에너지 밴드갭에 따른 LED 파장변화
화합물 반도체의 경우, 원소와 조성 비율을 바꿈으로써 에너지 밴드 갭의 크기를 제어할 수가 있고, 그 에너지에 해당되는 빛의 파장을 조절할 수가 있습니다. 다시 말해서 화합물 반도체를 원하는 가시광선 파장대 ( 380nm ~760nm)에 맞게 선별하여 LED를 제작하면 사람의 눈으로 볼 수 있는 빛을 모두 표현할 수가 있습니다. Blue에 해당되는 InGaN, Yellow에 해당되는 AlGaInP, Red에 해당되는 AlGaAs의 물질의 조성을 바꾸어 주면 표현하고 무지개색 빛깔의 파장을 만들 수 있습니다.
2. ‘밴드 갭 에너지’와 ‘파장’의 관계
‘밴드 갭 에너지’와 ‘파장’은 반비례 관계에 있음으로 파장이 짧은 ‘Blue 파장’은 ‘밴드 갭 에너지’가 큰 반면, 파장이 긴 ‘Red 파장’의 경우, ‘밴드 갭 에너지’가 작음을 알 수 있습니다. ‘UV'( Ultra Violet)의 경우, ‘Blue 파장대’ 보다 더 짧은 단파장이므로 ‘밴드 갭 에너지’가 더 큼을 알 수가 있습니다.
□ 화합물 반도체 재료에 따른 파장의 변화
아래의 내용과 같이 재료와 조성 차이에 따라 파장을 제어할 수 있으며 ‘Blue파장’의 레이어를 성장하기 위해서는 ‘Sapphire’ 혹은 ‘SiC’기판을 적용하여 LED 구조를 제작합니다. 일반적으로 ‘Red’ 계열은 GaAs, GaP를 이용하여 LED 구조를 제작합니다.
■ ‘Blue 파장’ ~ ‘Green파장'( 450 nm ~ 510 nm): GaN / InGaN on Sapphire : 기본적으로 Sapphire wafer 위에 성장을 하며 업체와 광효율등을 고려하여 SiC나 GaN의 Wafer를 이용하기도 합니다.
■ ‘Red 파장’ ( 610 nm ~660 nm): AlGaInP / GaInP on GaAs or GaP, AlGaAs / GaAsP on GaAs
■ ‘IR LED’ ( Infrared LED: 780~980 nm): AlGaAs / GaAs on GaAs
3. Summary
본 내용에서는 ‘에너지 밴드 갭’으로 구분할 수 있는 ‘도체’, ‘반도체’, ‘부도체’에 대해 설명드렸고, 에너지 밴드 갭을 이용한 ‘빛의 생성’에서는 빛의 방출 과정과 에너지 밴드 갭에 따른 LED 파장 변화에 대해 설명하면서 ‘밴드 갭 에너지’ 변화에 따라 LED 파장을 변화시킬 수 있음을 이야기했습니다. 마지막으로 ‘밴드 갭 에너지’와 ‘파장’의 변화에서 좀 더 구체적으로 화합물 반도체 재료에 따라 LED 파장을 변화시킬 수 있음을 설명하였습니다. 다음 장부터는 ‘LED의 기본 원리’에 대해 설명드리겠습니다.