[테마특강] 청색 질화갈륨(GaN) 광 소자 기술

劉泰京

83년 서울대 전자공학과 졸업

85년 한국과학기술원 전자공학과 석사

89년 한국과학기술원 전자공학과 박사

89∼91년 LG종합기술원 선임연구원

91∼92년 미국 코넬대학 연구원

93∼현재 LG종합기술원 책임연구원

97∼99년 국제ODS학회 위원

98년 발명대왕

최근 급격히 보급된 대형 옥외 전광판의 등장으로 청색 발광다이오드(LED:Light Emitting Diode)기술은 우리에게 더욱 친숙하게 다가오고 있다. 지난해 우리나라 전광판 시장이 수천억원 규모였던 점을 감안하면 청색 LED시장은 오는 2005년 최소 30억달러에서 백억달러 정도에 달할 것이라는 성급한 전망도 나올 정도다. 중요한 것은 청색LED로 파생되는 관련 산업의 규모는 청색LED 단품 시장규모보다 훨씬 상회할 것이라는 점이다.

청색 LED기술은 단순히 전광판 시장만을 구성하는 것이 아니라 미래의 교통 신호등, 전구 등으로 활용될 것으로 예상된다. 특히 향후 청색 레이저 기술로 발전할 경우 DVD 이후 차세대 초고밀도 정보 저장 장치, 고정밀 컬러 스캐너 및 프린터, 레이저 디스플레이 등 신사업을 창출할 수 있는 무한한 잠재력의 첨단 기초 기술이라 할 수 있다.

일반적으로 화합물 반도체에 전류를 주입하면 빛을 방출하는 광소자는 두 가지 종류가 있다. 이같은 종류의 구분은 기본적인 기술은 비슷하지만 난이도에서 차이가 있고 응용되는 분야가 다르기 때문에 구분하는 것이다. 하나는 LED로 빛을 전방향으로 방출하는 소자다. 다른 하나는 LED보다 기술적 난이도가 높은 것으로 빛이 일정한 방향으로 방출되는 LD(Laser Diode)다. 현재 LED는 청색 LED가 상용화됨에 따라 가시광 전영역(적색-녹색-청색)에서 가능하고, 반도체 레이저는 현재 적외선 영역에서 적색 레이저까지 상용화됐다. 이제 청색 레이저를 누가 먼저 상용화할것인가의 기술 전쟁이 남아 있다.

청색 레이저가 개발되면 CD롬 약 20장 이상의 정보를 1장의 광디스크에 저장할 수 있는 초고밀도 멀티미디어장치가 가능하게 된다. 이것은 차세대 멀티미디어 장치의 전체 성능을 좌우하게 될 것이다.

청색 LED 기술을 살펴보기 위해선 먼저 LED의 구조를 알아야한다. LED기술은 약 5가지 중요한 기술로 구분할 수 있다. 공정 순서별로 보면 우선 양질의 질화갈륨(GaN) 결정을 격자 정수가 다른 사파이어(Al2O3) 기판 위에 확보하는 것이 과제이다. 이것은 GaN혹은 질화알루미늄(AlN) 버퍼(Buffer)층을 사용하여 GaN 결정을 성장시키는 것으로 이 버퍼층은 그 위에 성장되는 GaN 결함밀도(Defect Density) 및 결정의 광학적 성질을 결정한다. 이 버퍼층은 다음에 성장되는 p형 GaN층까지 영향을 주어 p형 GaN 층의 도핑 농도 및 홀(hole) 이동성(mobility)곱에 해당하는 비저항을 결정한다. 참고로 비저항은 소자 전체의 저항을 결정하여 소자의 전기적 성능을 좌우하게 된다.

이 버퍼층은 유기금속화학증착장비(MOCVD)성장시 조건(두께, 온도 급강하 분포 등)에 크게 영향을 받는데 최적화해야 하는 파라미터만 4∼5개로 독립적 변수를 갖는다. 사파이어 기판을 씀으로써 발생하는 결함 및 문제점은 궁극적으로 GaN기판을 이용하면 해결될 수 있다.

둘째는 LED 구조중 가장 중요한 부분인 활성층 구조다. 이것은 다음의 레이저 기술에도 동시에 적용되는 기술이다. 활성층 구성은 양질의 질화갈륨인(InGaN)층 구조를 얻는 것인데 중요 특허가 InGaN/GaN 구조 및 이 층에 규소(Si)나 아연(Zn)를 도핑하여 광학적 결정질을 향상시키는 것이다. 한마디로 도핑이 안된 양자우물(QW:quantum well)을 최적화시키는 것이다. 특히 양질의 GaN를 얻는데 필요한 온도 (1천50)와 양질의 InGaN를 온도(8백) 차이가 무려 2백 차이로 계면에서의 불연속에 따른 결함 생성이 큰 문제다.

특히 In 조성이 20% 이상 증가하면 InGaN 결정질 및 광학 특성이 급격히 악화되는데 이 부분의 양질 결정확보가 소자의 특성을 좌우하게 된다. 순수 녹색 LED를 위해서는 40% 이상의 높은 In 조성이 필요하기 때문에 매우 중요한 부분이다.

셋째로 p형 GaN는 마그네슘(Mg)을 불순물로 사용하여 p형을 얻는 것으로 매우 까다로운 과정 중의 하나이다. 기판과의 결정 격자의 불일치로 인한 결함으로 도핑이 안된 GaN의 결정질이 아직 취약하고 n형 농도가 상대적으로 높기 때문에 기존 반도체에 비해 더욱 까다롭다. p형을 얻기위해 Mg주입량을 증가시키면 결정 표면이 매우 악화되며 결정질(Hole Mobility)이 악화 된다.

특히 Mg이 수소로 결함된 복합물을 활성화시켜 순수홀을 높이는 것이 중요한 과제이다. 보통 p형의 비저항이 2∼3Ω-㎝이면 양호한 편으로 소자 제작이 가능해 낮으면 낮을수록 더욱 우수한 결정질 및 소자 특성을 확보할 수 있다.

넷째, 전극 물질은 여러 가지가 연구돼 왔고 각 회사마다 많은 변형을 시도한다. 특히 n형 전극은 비 저항이 10Ω/㎠가 확보되어 이제는 문제가 없어 보인다. p형은 10³∼⁴Ω/㎠ 수준으로 더욱 많은 연구가 필요하다. 이 부분은 특히 레이저의 경우 더욱 심각하게 나타나기 때문에 지속적인 연구가 요구된다.

다섯째 LED를 완성한 후 소자를 분리하는 부분도 세심한 주의를 요한다. 특히 사파이어는 매우 경도가 높은 것으로 상당한 힘이 소자에 가해지기 때문에 소자 분리를 위해서라도 세심한 기술이 개발돼야 한다.

청색LED의 형제꼴인 청색 레이저는 상용화를 위해 일본의 니치아사가 독주를 하고 있고 2위 그룹과 격차가 더욱 벌어지고 있다. 2위 그룹들의 수준은 단순히 레이저가 동작했다는 발표 수준이지 신뢰성 있게 동작하기 위한 기본적인 수치들은 아직 부족하다. 레이저의 성능에서 중요한 특성 값인 발진 임계 전류, 동작 전압, 저항에서 상당한 차이가 나는 것이다. 레이저 동작의 기준인 발진 개시 전류 밀도 면에서 아직 격차가 크다 하겠다.

최근 6개월 사이에 레이저 개발 진척도에 있어 혁신이 있었다. 이것은 수년간에 걸쳐 개선될 것으로 기대됐던 일이다. 좀 더 자세히 언급하면 레이저의 수명에 장애가 돼왔던 결함 밀도를 선택적 측면 결정 방법으로 결함을 현저히 제거했다. 문제가 됐던 사파이어 기판을 제거할 수 있을 정도로 GaN 결정을 약 1백 두께로 상상을 초월하게 두껍게 성장시켰다. 그 위에 레이저 구조를 제작하여 수명을 증가시켰다. 이 방법으로 기존에 사파이어 기판과 GaN 결정 사이에 존재했던 10∼¹¹/㎠ 결함밀도를 10⁴/㎠이하로 줄였다고 한다. 하지만이 방법처럼 두껍게 GaN 결정을 성장 시키는 방법은 단점이 심각하다.

보통 유기금속화학증착(MOCVD) 방식으로 결정을 성장 시키면 최대 3/시간의 결정 성장 속도를 갖는데 1백의 결정 두께를 얻을려면 약 30 시간 이상 MOCVD 결정을 성장시켜야 하는 부담을 감수해야 한다. 이 기술로는 소량으로 상용화가 가능하겠지만 현재로는 가격이 비싸고 가격을 낮추는 작업도 상당히 어려울 것이다. 현재의 CD롬, DVD용 레이저와 유사한 개념으로 공정이 자리를 잡으려면 또 다른 방법의 기술 개발이 필요하다.

현재 보고된 레이저는 괄목할 만한 개선을 이룩했고, 실험실에서 기본적인 광학 실험을 꾸밀 수 있는 형태까지 진전됐다고 평가할 수 있다. 하지만 상용화까지 청색 레이저의 과제는 아직 산재해 있다.

첫째 레이저의 광학적 특성적인 면이다. 청색 레이저의 가장 중요한 응용인 초고밀도 광디스크 광학계에 탑재될 경우 중요한 것은 레이저의 방사각 특성인데, 레이저의 구조가 현재의 릿지(Ridge)구조인 이상 안정적인 방사각을 유지하기가 힘들게 된다. 특히 현재의 릿지 구조에서 수평 방사각을 확대시키기 위해 릿지를 조절해야 한다. 이 경우 활성층의 광 분포가 계면에서 흡수되어 손실이 크게 될 것이다. 이것은 상온에서는 큰 문제가 없으나 레이저 신뢰성 보증을 위해 60∼70의 고온 동작 실험을 할 경우 문제를 발생 시킬 수 있다.

둘째 궁극적으로 양질의 GaN 기판을 경제적인 가격에서 확보될 수 있는 기술을 개발하는 것이다. 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있으나 아직 만족스러운 결과를 얻기 못하고 있다.

청색 광소자 기술은 앞에서 언급한 바와 같이 무한 잠재력이 있는 기초기술으로 그 중요성이 크다. 특히 미래 전자산업과 광 전자산업이 융합해 만들어 낼 수 있는 분야가 계속 나타나 그 규모도 더욱 확장될 것이다. 그 규모도 기존의 화합물 반도체 시장과 결합하여 전체시장을 서로 상승시킬 것이다. 현재 청색LED는 대단한 고부가가치제품으로 칩면적당 원가기준으로 우리에게 익숙한 D램의 가격과 비교하면 더욱 실감할 수 있다. 문제는 우리의 기술수준 및 개발 능력이다. 현재 니치아사가 모든 면에서 독주를 하고 있지만 아직 신기술 개발의 여지가 상당부분 남아 있다. 특히 레이저 부분에서는 더욱 그러하다는 점에서 국내업체들의 분발을 기대한다.