수소 생산, 레이저 핵융합 등에 활용되는 자외선(UV) 레이저 다이오드(LD)가 개발 변곡점을 맞았다. 질화갈륨(GaN) 기판에 크랙 없이 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 증착 가능한 변형완화주형(SRT)이라는 층이 개발됐다.
나카무라 슈지 산타바바라 캘리포니아대 교수는 5일 경기도 일산 킨텍스에서 열린 '나노코리아 2023' 심포지엄에서 “GaN 기판에 크랙 없이 AlGaN을 성장할 수 있는 새로운 SRT 이론이 나왔다”고 말했다.
나카무라 교수는 청색 발광다이오드(LED)를 개발해 2014년 노벨물리학상을 받은 과학자다. 이어 주로 살균이나 소독에 사용되는 UV LED를 개발, 서울바이오시스와 함께 상용화하기도 했다.
LD는 반도체 기반 레이저 광원이다. 파장이나 위상 등 성질이 완벽히 동일한 빛을 낼 수 있다는 특징이 있다. 주재료인 GaN 막을 웨이퍼 위로 에피하는 과정이 필요하다. 유기금속화학증착장비(MOCVD) 내부에 가스를 주입해 기판 위에 박막을 형성하는 방법으로 제작된다. N형 반도체, 활성층(발광층), P형 반도체를 차례로 에피한다.
기존에는 사파이어 웨이퍼 표면에 GaN을 증착했다. 웨이퍼와 GaN 간 결정구조가 비슷할수록 고품질 LED를 만들 수 있다. 이에 따라 GaN 기판에 GaN을 증착하는 방식이 연구돼 왔다.
나카무라 교수는 “GaN 기판에 AlGaN을 성장시키면 디스로케이션(dislocation) 밀도를 낮추면서도 레이저 수명은 획기적으로 높아진다”고 설명했다.
나카무라 교수는 SRT 층을 활용해 AlGaN UV 레이저를 구현할 수 있다고 강조했다. 기판과 그 위에 형성된 층이 작용하는 과정에서 격자상수가 달라서 변형이 발생한다. 격자상수는 원자들이 공간상에 배치된 규칙이다. SRT가 격자상수가 다른 각 층 사이에서 완충 작용을 하면서 결함을 최소화할 수 있다는 설명이다. 그 결과 수명과 효율을 획기적으로 개선할 수 있다는 설명이다.
그는 “기존 N형 클래딩(금속코팅) 층은 GaN을 웨이퍼에 성장하는 과정에서 인장 응력으로 인해 금이 갔지만 다공형 클래딩 방식을 활용하면 활성층에서 양호한 수준의 손실율을 보여준다”면서 “다공형 클래딩 층을 SRT로 사용하는 방법이 발전하고 있다”고 강조했다.
이어 UV 레이저가 획기적인 변화를 가져올 미래기술이라는 점도 강조했다. 석유나 암모니아에 UV 레이저를 활용하면 수소를 만들 수 있다는 설명이다. 이 기술을 활용해 기존 석유 스탠드를 수소 충전소로 바꾸는 변화상이 가능하다고 제시했다. 또 UV 레이저가 핵융합 기술로서도 효율이 높다고 덧붙였다.
고양(경기)=
김영호 기자 lloydmind@etnews.com
