산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2025.9 (p64-66)

3명의 아마추어로 시작한 레이저 개발
제2회 왜 돌파구를 찾을 수 있었을까?

과거 30년 동안 매출을 30배로 올린 니치아화학공업. 성장력과 수익력의 원천은 부가가치가 높은 모노즈쿠리에 있다. 대표적인 것은 ‘20세기에 실현은 어렵다’라고 말하는 청색 발광다이오드(LED)다. 또한 개발 난이도가 LED 이상으로 높은 청색 반도체 레이저도 잊지 말아야 한다. 왜 니치아화학공업은 부가가치가 높은 제품을 계속 만들어 낼 수 있을까? 청색 반도체 레이저의 개발 이야기에서 그 답을 찾아보자.

1993년말 송년회에서 주임연구원에게 “레이저를 개발하게 해 주세요”라고 말한 나가하마(長濱) 씨(현 제2부문 LD사업본부 주석 연구원). 거절을 당해도 몇 번이고 호소를 했고, 결국에는 주임연구원으로부터 마음대로 하라는 말을 이끌어냈다.

그리고 1994년 1월에 니치아화학공업은 반도체 레이저 개발을 시작했다. 개발 멤버는 나가하마 씨와 다른 부서에서 이동해 온 2명과 함께 총 3명이 전부였다. 게다가 모두가 반도체 레이저에 대해서는 초보자인 상황이었다.

그래서 세 사람은 먼저 레이저 공부부터 하기로 했다. 제목에 ‘레이저’라고 돼 있는 대학생과 대학원생용 학술서를 닥치는 대로 구입해 읽는 것부터 시작했다.

-- '상식'을 의심하다 --
당시는 청색 발광다이오드(LED)를 양산한다는 니치아화학공업의 발표에 전 세계의 연구자가 놀라고 있던 시대. 청색 LED보다도 한층 더 기술의 난이도가 높은 반도체 레이저를 질화갈륨(GaN)계 재료로 만드는 것 등 상상을 초월하고 있었다.

하지만 나가하마 씨는 여기에서도 대담하게 ‘전류 주입에 의한 레이저 발진’이라는 목표를 제시했다. “갈륨비소(GaAs)계, 즉 적색 반도체 레이저로 만들었으니 GaN계 반도체 레이저도 가능할 것이라고, 아무런 기술적인 전망도 없는데 생각하고 있었다. 지금 되돌아보면 아마추어의 얕은 생각에 지나지 않았다. 실제로 착수해 보고 얼마나 어려운 일인지를 알게 되었다”(나가하마 씨).

그래도 3명에게는 아마추어만의 강점이 있었다. 그때까지 ‘상식’이라고 여겨졌던 것을 그대로 받아들이지 않고 모든 것을 의심하며 바라보았다는 점이다. 결론부터 말하면, 이것이 성공의 큰 요인이 되었다.

당시, GaN계 반도체 분야에는 ‘상식’이라고 여겨지는 것이 있었다. 그런데 그걸 믿고 실제로 실험하다 보면 다른 결과를 얻을 수 있는 경우가 허다했다. 생각해 보면, 당시는 GaN계 반도체 분야는 아직 연구가 충분하지 못했고, ‘상식’이라고 알고 있었던 것도 부족한 샘플 결과를 기본으로 한 것이 많았다. 그래서 3명은 ‘상식’이라고 생각했던 모든 것을 의심하면서 자신들의 손으로 실험하고 다시 검증하는 것부터 착수했다.

-- 청색 LED의 전력 변환 효율에 주목 --
이렇게 반도체 레이저 개발을 처음부터 시작한 3명이, 가장 먼저 목표로 삼은 것은 청색 LED의 전력변환효율(이하 효율)을 높이는 실험이다. 반도체 레이저가 레이저 발진하기에는 당시의 청색 LED로는 효율이 부족했기 때문이다.

당시의 청색 LED의 효율이 낮았던 이유는 밴드간 발광이 아니라 불순물 준위 발광이라고 불리는 방법을 채택하고 있었기 때문이다.

이미 효율을 높이는 기술의 하나인 더블 헤테로 구조는 채택하고 있었다. 1993년 11월의 청색 LED 발표 때 밝기를 기존의 100배로 높여 실용적 수준으로 할 수 있었던 것은 이 때문이다. 이것은 질화인듐갈륨(InGaN)으로 이루어진 발광층을 아래에서 n형의 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 위에서 p형의 AlGaN으로 끼우는 구조. 재료가 다른(헤테로) 것끼리 붙어 있는 계면의 수가 2개(더블) 있기 때문에 더블 헤테로 구조라고 불린다.

-- 인듐 함유량이 열쇠였지만 --
발광색은 발광층의 인듐(In) 함유량으로 제어할 수 있는 것을 알고 있었다. In의 함유량을 늘려가면, 이론적으로는 빛의 파장을 약 360nm에서 1μm(1000nm)까지 시프트(조정)할 수 있다. 색깔로 말하면 청자색에서 청색, 하늘색, 녹색, 오렌지색, 적색, 그리고 적외선 영역까지 바꾸는 것이 가능하다.

그런데 당시의 결정 성장 기술로는 발광층의 In 함량을 높일 수 없었다. In의 함량을 높이면 결정 품질이 나빠져 버리는 것이다. 그래서 결정 품질을 유지할 수 있는 한계 양까지 In를 넣었더니, 390nm 정도의 파장으로 빛났다. 하지만 이래서는 청자색으로 어둡다.

그래서 발광층인 InGaN에 억셉터로서 아연(Zn)을, 도너로서 규소(Si)를 도프(불순물로서 첨가)해, 파장을 청색 영역인 450nm로 시프트시켰다. 이것이 불순물 준위 발광이다. 에너지가 조금 줄어 열로 바뀌고, 나머지가 빛(청색 빛)으로 변하는 구조다. 하지만 그만큼 효율이 떨어진다는 것이다.

-- ‘양자 우물 구조’로 타개 --
이 과제를 극복하기 위해서 3명이 착수한 것이 양자 우물 구조를 채택하는 것이다. 이는 더블 헤테로 구조를 채택한 다음, InGaN의 활성층(LED에서는 발광층, 레이저에서는 활성층이라고 부른다)을 매우 얇게 한 것이다. 이렇게 하면, In의 함유량을 늘려도 전위(결함)가 발생하지 않는다.

양자 우물 구조 자체는 반도체 관련 교과서에도 실려 있는 기술이다. 하지만 당시에는 결정 성장 기술이 미숙해 만들지 못했다. 재현성이 나쁜 데다 얇은 층을 웨이퍼 면 내에 균일하게 만드는 것이 어려웠다.

그래서 3명은 결정 성장 조건을 근본부터 재검토하며 별의별 것을 시험했다. 결정 성장 장치인 MOCVD(유기금속화학증착) 장치도 개조했다. 노즐에 손을 가해 가스의 흐르는 방법을 바꾼 것은 단지 일례다.

청색 LED의 양산 공정에서 개량된 결정 성장 기술도 도입해, 재현성이나 수율(양품율), 제어성도 향상시켰다. 이렇게 시행착오를 반복해 마침내 세 사람은 좋은 결정 성장 조건을 찾아내 양자 우물 구조를 실현했다.

결과 In의 함량을 늘려 밴드 간 발광이 가능해진데다 활성층을 얇게 함으로써 얻을 수 있는 양자 사이즈 효과로 인해 더욱 효율이 높아졌다.

-- 뜻하지 않은 부산물 --
재미있는 것은 반도체 레이저를 개발하기 위해 '상식'을 의심하고 실현한 이 양자우물 구조가 뜻하지 않은 부산물을 가져왔다는 점이다. LED의 고휘도화에 공헌한 것이다.

니치아화학공업은 양자 우물 구조의 청색 LED와 녹색(파장은 525nm, 순녹색) LED를 개발해 밝기를 청색 LED는 기존의 2배로, 녹색 LED는 기존의 60배로 높이는 데 성공했다. 전자는 1994년 10월에 양산에 들어갔고, 후자는 1995년 9월에 개발했다고 발표했다.

나가하마 씨가 이끄는 단 3명의 반도체 레이저 개발팀이 LED 개발팀보다 먼저 고휘도의 녹색 LED에 필요한 기술을 만들어낸 것이다. 난이도가 높은 개발에 도전하는 편이 그 과정에서 얻을 수 있는 ‘과실’이 크다는 얘기일 것이다.

한편 LED 개발팀은 기존의 연장선상인 불순물 준위 발광을 고집했기 때문에 결과적으로 반도체 레이저 개발팀에 추월을 당했다.

 -- 끝 --
 

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Nikkei Monozukuri_2025.8 목차

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