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Nikkei X-TECH_2023.12.11

질화갈륨(GaN)계 반도체로 신형 발광소자 속속 등장
디스플레이나 웨어러블 기기로의 도입 위한 연구개발 추진

질화갈륨(GaN)을 이용한 발광소자 연구개발 열기가 뜨거워지고 있다. 질화갈륨계 반도체 국제학회 'ICNS'에서는 LED 디스플레이나 웨어러블 기기와 같은 차세대 영상표시 기기를 위한 새로운 발광소자 발표가 잇따랐다.

-- 질화갈륨계 반도체로 적색 LED --
최근 디스플레이 분야에서 주목 받고 있는 것이 마이크로 LED이다. 액정 디스플레이에 비해 자발광형으로 명암비(콘트라스트비)가 높고, 소비전력도 낮추기 쉽다. 무기 재료이기 때문에 자발광형 유기EL에 비해 수명이 길고 고휘도라는 특징을 가지고 있어 차세대 디스플레이로 주목 받고 있다.

이미 업무용 대형 디스플레이에서는 실용화되고 있으며, TV나 PC, 스마트폰, 스마트워치와 같은 민생 기기로의 도입을 위한 연구개발이 추진되고 있다.　이처럼 이점이 많은 마이크로 LED이지만, 과제도 있다. 영상표시에 필요한 적색과 녹색, 청색의 삼원색 LED칩을 개별적으로 구동용 트랜지스터 기판에 구현하는 데 시간과 인력이 소요된다는 점이다.

이것을 해결하는 방법 중 하나로 삼원색의 마이크로 LED를 1장의 웨이퍼로 제조하는 ‘모놀리식화’에 대한 연구가 추진되고 있다. 1장의 웨이퍼에 삼원색의 마이크로 LED를 형성하고 LED 어레이로서 잘라내어 디스플레이에 사용한다. 이 모노리식화를 통해 삼원색의 LED 칩을 개별적으로 제조하여 구현하는 경우에 비해, 생산성 향상과 코스트 절감을 도모할 수 있다.

하지만, 청색 및 녹색 LED와 적색 LED는 일반적으로 재료계가 다르기 때문에 동일한 웨이퍼에 형성하기 어렵다. 일반적으로 청색과 녹색에서는 발광층에 인듐갈륨나이트라이드(InGaN)를, 적색에서는 발광층에 알루미늄인듐갈륨인화물(AlInGaP)을 이용한다.

그래서 최근 InGaN로 적색 마이크로 LED를 만드는 시도가 많이 나오고 있다. 즉, 삼원색을 질화갈륨계 반도체로 만드는 것이다.

질화갈륨계 발광소자의 경우, 발광층의 InGaN에서의 인듐 조성비가 높을수록 파장이 길어진다. 청색보다 녹색, 녹색보다 적색이 파장이 길기 때문에 인듐 조성비가 높다. 인듐의 조성비가 높아질수록 결정의 품질이 저하되는 등 발광 효율은 낮아지기 쉽다.그래서 적색 발광 효율을 높이는 것이 연구의 핵심이 되고 있다.

그러한 가운데 발광 효율의 기준이 되는 ‘외부 양자 효율’에서 높은 값을 달성해 ICNS에서 발표한 것이 중국 베이징대학 등으로 구성된 연구그룹이다. 미니 LED 크기로 마이크로 LED보다 다소 크지만, 발광 파장 629nm의 적색에서 외부 양자 효율 7.4%를 달성했다. 발광층인 양자우물(Quantum Wells) 구조의 InGaN로 인듐 도입을 촉진하는 방법 등을 통해 실현했다.

중국의 연구그룹은 이 적색 미니 LED와 청색 및 녹색의 미니 LED로 풀컬러 디스플레이도 시작(試作)했다. 디스플레이의 색 공간 기준인 ‘Rec.2020’ 가운데 74.1%를 커버할 수 있었다고 한다.

InGaN이 아니라, 질화갈륨에 희토류 원소의 유로퓸(Eu)을 첨가해 고효율의 적색 발광에 도전하고 있는 곳은 오사카대학의 후지와라(藤原) 교수 연구팀이다. 이번에 동일한 사파이어 웨이퍼상에 이 적색 질화갈륨계 마이크로 LED와 InGaN를 발광층으로 이용한 청색 마이크로 LED를 형성하는 데 성공했다.

-- 삼원색의 마이크로 LED를 모노리식화 --
적색 마이크로 LED를 질화갈륨계 반도체로 실현하는 것뿐만 아니라, 모노리식화 구조 및 방법에 관한 연구도 활발하다. 이번 ICNS에서는 동일 웨이퍼상에 삼원색의 발광층을 수직 방향으로 쌓는 구조의 마이크로 LED 제안이 눈에 띄었다.

이와 함께 3색 빛이 섞이지 않도록, 수평 방향으로 녹색, 청색, 적색 중 어느 하나의 빛이 발하도록 구조를 고안함으로써, 마치 삼원색의 마이크로 LED 칩을 개별적으로 배치한 것처럼 빛이 나게 한다는 제안도 있었다.

이번 ICNS에서는 예를 들어 메이조(名城)대학과 사우디아라비아의 압둘라왕립과학기술대학(KAUST)의 연구진, 그리고 도요타합성이 발표했다.

메이조대학과 KAUST 연구진은 ‘터널 접합이라 불리는 구조를 이용해 질화갈륨 웨이퍼상에 청/녹/적색 발광층을 세로로 성장시키고 이것을 마이크로 LED로 가공했다. 이를 통해 삼원색의 마이크로 LED 어레이를 실현했다.

메이조대학은 청색과 녹색 LED, 그리고 질화갈륨계 반도체에 의한 터널 접합을 오랜 기간 연구해 왔다. 이번 ICNS에는 메이조대학의 이와타니(岩谷) 교수 등이 참가했다. 한편, KAUST가 강점으로 하는 것은 InGaN을 이용한 적색 LED이다. 도쿄 이과대학 전 교수로 현재는 KAUST 교수인 오오카와(大川) 씨가 이끄는 그룹이다. 이 두 그룹의 강점을 활용해 삼원색의 마이크로 LED 어레이를 실현할 수 있었다고 한다.

도요타합성도 동일한 웨이퍼를 이용해 청색과 녹색, 적색의 발광층을 세로로 성장시킨 마이크로 LED를 시작했다. 웨이퍼는 사파이어제이다.

-- 청색, 녹색 VCSEL의 특성 향상 --
ICNS에서는 새로운 발광소자로서 연구가 추진되고 있는 청색과 녹색의 면발광레이저(VCSEL)에도 관심이 집중되었다. VCSEL 중 적색 혹은 적외선 빛을 발하는 것은 이미 제품화되어 보급되고 있다. 반면, 청색이나 녹색의 VCSEL은 개발이 어려워 연구 테마가 되고 있다.

일반적인 반도체 레이저는 단면이 발광하여 반도체 기판의 표면에 대해 수평 방향으로 레이저광을 출사한다. 이에 반해 VCSEL은 반도체 기판 표면에 대해 수직 방향으로 레이저광을 출사한다.

VCSEL은 단면 발광형의 반도체 레이저에 비해, 소형화와 소비 전력의 절감에 적합하다. 이러한 특징 때문에 청색이나 녹색의 VCSEL은 VR(가상현실) 헤드셋이나 AR(증강현실) 글래스 등, 웨어라블 기기에서의 이용이 기대되고 있다.

또한 VCSEL은 다수의 소자를 2차원 배열하는 것이 용이해 고출력화하기 쉽다. 따라서 청색이나 녹색 VCSEL은 높은 출력을 원하는 대형 프로젝터나 자동차 헤드램프 광원에 적합하다.

이러한 청색이나 녹색 VCSEL에 대한 연구 개발을 적극적으로 추진하고 있는 것이 소니세미컨덕터솔루션즈(SSS)이다. SSS는 청색 VCSEL의 효율을 높이기 위해 독자적 구조를 마련했다.

반도체 레이저는 일반적으로 활성층에서 생긴 빛을 2개의 미러로 반사하는 것을 반복해 공진시켜 레이저광을 발진시킨다. VCSEL도 마찬가지이다. SSS는 이 미러의 한쪽을 기존의 평면에서 오목형으로 함으로써 VCSEL의 중앙부에 빛이 모이기 쉽게 해 효율을 높였다.

이번 ICNS에서 SSS는 오목형을 채택하면서 더욱 효율을 높인 최신 연구 현황을 소개했다. 기존의 효율(투입 전력 대비 광출력 비율)은 파란색에서 13.4%, 녹색에서 3.6%였다. 현재는 청색(455nm)에서 약 19%, 녹색(약 512nm)에서 약 6.5%까지 올릴 수 있었다. 모두 “업계 최고”(SSS)라고 한다.

또한 편광 상태를 제어하는 새로운 방법도 발표했다. 레이저 소자를 영상표시 기기 등에 적용할 때 적용처에 따라 요구되는 편광 상태로 제어하는 것이 요구된다. SSS는 이번에 단면 측을 벽개함으로써 편광 상태를 제어할 수 있다는 사실을 알아냈다. 이를 통해 청색이나 녹색의 VCSEL을 영상표시 기기 등에 쉽게 응용할 수 있다.

-- 키워드 --
GaN: 갈륨(Ga)과 질소(N)의 화합물로, 갈륨나이트라이드나 질화갈륨으로 불린다. 질화갈륨계 반도체는 크게 3가지 용도가 있다. 첫 번째, 청색 발광다이오드(LED)나 청자색 반도체 레이저와 같은 발광소자이다. 두 번째, 이동통신에 이용되는 파워 앰프라고 하는 고주파 소자이다.

세 번째 용도가 파워반도체로, 연구개발이 특히 활발하다. 실리콘에 비해 파워반도체로서의 재료 특성이 우수하기 때문에 차세대 파워반도체 중 하나로 여겨지고 있다.

질화갈륨 파워반도체 소자(파워 소자)는 크게 두 가지이다. 하나는 실리콘 웨이퍼(기판)를 이용한 ‘GaN on Si’이다. 전류가 가로(수평) 방향으로 흐르기 때문에 가로형이라고도 불린다. 이미 제품화되어 있으며, 스마트폰이나 노트북용으로 소형·고출력을 내세우는 고성능 전원 어댑터 등에 채택되고 있다.

‘HEMT’라고 불리는 구조를 채택하고 있어 고주파 동작에 적합하다. 스위칭 주파수가 높을수록 수동 부품을 작게 할 수 있기 때문에 전원의 소형화에 적합하다.

다른 하나는 질화갈륨 기판을 이용한 ‘GaN on GaN’이다. 전류가 세로(수직) 방향으로 흐르기 때문에 세로형이라고도 불린다. 세로형은 가로형에 비해 고전압·대전류에 적합해 전동차량이나 신재생에너지, 산업기기 전력변환기에 있어서의 전력손실을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다.

하지만 질화갈륨 웨이퍼가 고가인 것이 과제이다. 이를 해결하기 위해 질화갈륨 웨이퍼의 대폭적인 코스트 절감으로 이어지는 연구개발이 추진되고 있다.

 -- 끝 --

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