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아정 운
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LED 에피성장기술 김동혁 윤의준 저자약력 서 2013년까지 5년간총 99조 4000억원이투입되는 6개분야 22개의 신성장동력사업 과저탄소녹색성장을위한 그린에너지산업발전전략 의성장동력화가필요한 9개분야중조기육성할 4개의제1그룹에발광다이오드 (Light emitting diodes, LED) 분야가각각포함되었다.

1 LED 에피성장기술 김동혁 윤의준 저자약력 서 2013년까지 5년간총 99조 4000억원이투입되는 6개분야 22개의 신성장동력사업 과저탄소녹색성장을위한 그린에너지산업발전전략 의성장동력화가필요한 9개분야중조기육성할 4개의제1그룹에발광다이오드 (Light emitting diodes, LED) 분야가각각포함되었다. 고유가시대와지구온난화로부터화석연료사용규제의필요성이대두되는시점에서, 백열전구대비 20배이상에이르는긴수명과 10 분의 1에불과한에너지사용량을가진 LED에대한전세계적인요구가늘어난때문이다. 또한형광등에사용되는수은, 카드뮴과같은독성물질을사용하지않기때문에친환경을강조하는추세에도부합하는면을가지고있다. 휴대폰키패드에서부터일반조명에이르기까지광범위한적용이가능한 LED는이제차세대먹거리로서국가적인관심을받고있는것이다. LED가기존의백열등이나형광등을대체하기위해서는무엇보다발광효율 (lm/w) 을높이는것이중요하다. LED 공정은크게나누어에피공정, 칩공정, 패키지공정으로분류할수있다. 에피 라는표현은 LED 분야에서는흔히사용되지만대개는익숙하지않은말이다. 정확한표현은에피택시 (epitaxy) 혹은에피택셜성장 (epitaxial growth) 으로 어떤결정이다른결정의표면에서특정한방위관계를취해성장하는일 을뜻한다. LED 등의소자구조를형성하기위해서는기판위에 GaN계화합물반도체를 pn 접합다이오드형태로쌓아올려야하는데이때각각의층은밑의층의결정성을이어받아성장하게된다. 결정내부의결함은전자와정공의재합과 김동혁연구원은포항공과대학교신소재공학과에서석사 (2003) 를마친후현재서울대학교재료공학부박사과정에재학중이다. 윤의준교수는 MIT 재료공학과박사 (1990) 로미국 AT&T Bell Laboratories (Murray Hill, NJ) 의연구원 ( ) 을거쳐 1992년부터현재까지서울대학교재료공학부교수로재직중이며, 지식경제부전략기술개발과제 고효율조명용광반도체기술개발 의총괄책임자를맡고있다. 론 정 (electron-hole recombination process) 에서비발광센터 (nonradiative center) 로작용하기때문에광자 (photon) 를이용하는 LED 소자에서는각층을형성하는결정들의결정성이소자효율에결정적인영향을미치게된다. 그렇기때문에에피성장기술은 LED 효율의한계를결정짓는중요한원천기술이라고할수있다. GaN 에피성장의소개 GaN계화합물반도체는동종기판의부재로인해주로사파이어 (Al 2O 3) 기판위에성장하게된다. 이때기판과 GaN 사이의격자불일치를극복하기위해도입된기술이저온완충층 (buffer layer) 이다. 1986년일본나고야대학의아카사키그룹에서 AlN 저온완충층을이용한 GaN의에피성장을유기화학증착법 (metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD) 으로구현했고, 1992년에는일본의니치아화학에서 GaN 저온완충층을이용한고품질의 GaN 에피층을성장하는데성공하였고이를바탕으로청색 LED의상용화에성공하였다. 일본의작은화학회사에불과했던니치아는에피성장에관련된수많은원천기술을기반으로세계 1위의 LED 업체로성장했다. 연구개발의중요성을보여주는일화이다. 여담이지만청색발광다이오드의발명을주도한나까무라슈지 ( 현재미국 University of California, Santa Barbara 교수 ) 는니치아화학을상대로직무발명에대한실적보상으로 200억엔을청구하여도쿄지방법원으로부터전액인용판결을받아내어세간의화제가된적이있다. AlN 혹은저온 GaN 등의버퍼층위에 GaN를성장시킬경우사파이어기판위에직접성장시킬경우에비하여계면에너지가감소하기때문에높은밀도의핵생성이가능해진다. 성장초기에작은육각기둥형태인 GaN는성장이지속되면서역시버퍼층에의한계면에너지의감소로인한측면성장 (lateral growth) 의촉진으로인해주변의육각기둥과합쳐지게되고그림 1(a) 와같은평면성장을이루게된다. 저온버퍼층이없는 1(b) 의경우핵생성밀도가낮고측면성장이잘이루어지지않기에 3D의거친표면을갖게된다. GaN와사파이어기판사이의격자상수차이로인한관통 2

표 1. 백색 LED 단계별 성능 지표. 70 lm/w 150 lm/w LEE (%) ~ 80 ~ 90 IQE (%) ~ 55 ~ 90 EQE (%) ~ 45 ~ 80 IQE)과 광추출효율(light extraction efficiency, LEE)의 곱은 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)로 나타내 기도 한다.

η injection η internal η extraction η phosphor η package 이 중 에피성장과 주로 관련된 부분은 처음 3개의 단계이고, 보통 각 단계의 효율을 정확히 따지기보다 LED로 제작하여 측정한 외부양자효율의 개선치로 평가하게 된다.

2 표 1. 백색 LED 단계별 성능 지표. 70 lm/w 150 lm/w LEE (%) ~ 80 ~ 90 IQE (%) ~ 55 ~ 90 EQE (%) ~ 45 ~ 80 IQE)과 광추출효율(light extraction efficiency, LEE)의 곱은 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)로 나타내 기도 한다. [2] LED efficiency (lm/w) 그림 1. AlN 저온버퍼가 있을 경우(a), 없을 경우(b)의 GaN 결정 성장 [1] 모델. η injection η internal η extraction η phosphor η package 이 중 에피성장과 주로 관련된 부분은 처음 3개의 단계이고, 보통 각 단계의 효율을 정확히 따지기보다 LED로 제작하여 측정한 외부양자효율의 개선치로 평가하게 된다. 표 1에 현재 의 형광체를 이용한 백색 LED가 70 lm/w일 경우와 앞으로 150 lm/w를 얻기 위한 각 단계별 효율을 비교하였다. 본 내 용에서는 내부양자효율의 향상을 중심으로 고효율의 LED 제 작을 위한 에피성장기술의 최신 연구 동향을 소개해 보고자 한다. 1. 내부양자효율의 향상 내부 양자효율을 결정하는 중요한 요인으로 비발광 중심 그림 2. ELO 성장법의 도식도. 으로 작용하는 결정결함의 감소와 활성층 내에서 전자와 정 공의 효율적인 재합을 들 수 있다. 백색 LED를 제조하는 3 전위(threading dislocation) 등의 결정결함을 줄이기 위한 가지 방식 중 하나인 자외선 LED+RGB 형광체의 방식에서 방법으로 측면성장(epitaxial lateral overgrowth, ELO)법이 는 특히 결정결함이 청색 LED보다 자외선 LED의 효율 저 널리 활용된다. 그림 2에 LEO 성장법의 도식도를 나타내었 하에 많은 영향을 미친다고 알려져 있다. 다. SiO2 마스크를 GaN 결정 위에 배열하고 마스크 틈 사 성장을 위해서는 앞에서 이야기한 측면 에피성장 또는 저결 이로 결정을 재성장시키면서 성장조건의 최적화를 통해 측 함 GaN 동종기판의 제조에 관한 연구가 활발히 진행되고 면성장을 촉진하는 방법이다. 이 경우 마스크에 의해 관통 있다. [3] 저결함 에피층의 전위가 가려지거나 성장방향을 따라 옆으로 휘게 되므로 표 내부양자효율을 향상시키려는 시도 중에서 가장 많은 주 면까지 도달하는 결정결함의 수는 획기적으로 줄어들게 된 목을 받고 있는 분야는 비극성(nonpolar) LED의 연구이다. 다. ELO 성장법으로 고품질의 GaN 결정을 얻을 수 있지만 우르자이트 결정구조를 형성하는 GaN계 화합물은 c면 사파 추가의 공정이 들어감으로써 공정 단가가 올라간다는 단점 이어를 사용하여 대개 기판에 수직인 c축에 우선 배향된 형 이 있다. 고출력 조명용 LED의 연구개발 동향 LED의 효율은 다음 식과 같이 캐리어 주입, 내부양자, 광 추출, 형광체, 패키징에 의한 각각의 효율들의 곱으로 나타낼 수 있고, 특히 내부양자효율(internal quantum efficiency, [1] I. Akasaki, H. Amano, Y. Koide, K. Hiramatsu, and N. Sawaki. J. Cryst. Growth 98, 209 (1989). [2] E. F. Schubert, Light-emitting diodes (Cambridge University Press, 2003). [3] X. A. Cao, S. F. LeBoeuf, M. P. D Evelyn, S. D. Arthur, J. Kretchmer, C. H. Yan and Z. H. Yang, J. Appl. Phys. 84, 4313 (2004). 물리학과 첨단기술 November

또한이종접합구조를형성할때 3족질화물간의큰격자상수의차이, 같은 c축배향성을가진다는특성으로인한응력이발생하여압전분극 (piezoelectric polarization) 도함께생기게된다. 질화물의압전계수는거의모든반도체재료에비하여큰값을가지므로작은변형 (strain) 에도매우큰분극을초래할수있다.

3 Ga-face N Ga c-axis (0001) 그림 3. GaN 결정의원자구조. 그림 5. GaN 의결정면. 그림 4. 분극효과의도식도 (a) 극성, (b) 비극성. [4] 태로성장하는데이때분극효과 (polarization effect) 가발생한다. 그림 3과같이 c축방향을따라위쪽은 Ga 원자, 아래쪽은 N 원자로이루어진형태 (Ga face의경우 ) 이므로평형상태에서도 0이아닌자발분극 (spontaneous polarization) 을가지게된다. 또한이종접합구조를형성할때 3족질화물간의큰격자상수의차이, 같은 c축배향성을가진다는특성으로인한응력이발생하여압전분극 (piezoelectric polarization) 도함께생기게된다. 질화물의압전계수는거의모든반도체재료에비하여큰값을가지므로작은변형 (strain) 에도매우큰분극을초래할수있다. 두개의분극으로유발된정전기장 (electrostatic field) 은그림 4와같이양자우물구조의에너지밴드구조를변화시켜이에따른전자와정공의분포를왜곡시키게된다. [4] 전계에의한전자와정공의공간적분리를 quantum confined stark effect (QCSE) 라하는데이는전자와정공의재결합 (recombination) 으로 photon을발생시키는발광소자에있어서낮은내부양자효율을유발하고발광스펙트럼의 red shift 및인가전류증가에따른파장의 blue shift 현상, 높은문턱전압등의영향을미치는것으로알려져있다. 그렇기때문에 QCSE 현상을억제하여내부양자효율을향상시키기위한 시도로비극성방향의 GaN를성장시키는연구에대한관심이증가하고있다. GaN의결정구조에서비극성면은 c축에평행한 m면과 a 면이고, 초기에성장용기판으로는 m면 SiC 기판, r면 Al 2O 3 기판이각각주로사용되었다. 하지만이종기판위에성장시킨비극성 GaN 결정은높은결함밀도를나타내었고, 이들결함들이비발광중심으로작용하여오히려양자효율을감소시키는결과를나타내었다. 최근낮은결함밀도를가진 m면 GaN 기판이상용화되면서비극성 LED의연구는비약적인향상을나타내게된다. 비극성 LED의선도그룹인 UCSB의나까무라그룹은 2005년에최초로발표했던 0.43% 외부양자효율을가진 m면 LED에이어, [5] 2007년에들어서면서실험실수준의구조만을적용했음에도 38.9%, 45.4% 외부양자효율을가진 m면 LED를잇따라발표한다. [6,7] 발표된 m면 LED는또한인가전류의변화에따른 red shift 역시거의발생하지않아 ( 그림 6) QCSE에의한기존의문제점을해결할수있을것으로기대되고있다. 하지만 m면 GaN 기판이현재까지는너무작고, 너무비싸기때문에상업적인생산에적용되기까지는많은시간이걸릴것으로여겨진다. p형클래딩층과활성층사이에 electron blocking layer [4] P. Waltereit, O. Brandt, A. Trampert, H. T. Grahn, J. Menniger, M. Ramsteiner, M. Reiche and K. H. Ploog, Nature 406, 865 (2000). [5] A. Chakraborty, B. A. Haskell, S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura, and U. K. Mishra, Jpn. J. Appl. Phys. 44, L173 (2005). [6] M. C. Schmidt, K.-C. Kim, H. Sato, N. Fellows, H. Masui, S. Nakamura, S. P. DenBaars, and J. S. Speck, Jpn. J. Appl. Phys. 46, L126 (2007). [7] K.-C. Kim, M. C. Schmidt, H. Sato, F. Wu, N. Fellows, M. Saito, K. Fujito, J. S. Speck, S. Nakamura, and S. P. DenBaars, Phys. Stat. Sol. (RRL) 1, 125 (2007). 4

(a) (b) 그림 6. M 면 LED 의발광결과. [7] 그림 8. 델타도핑의실행프로파일 (a) 과이를이용한소자구조 (b). [10] 그림 7. 자외선 LED 의밴드다이어그램도식도. [9] (EBL) 의삽입으로내부양자효율의향상을이루는방법도연구되고있다. 그림 7(a) 에서와같은 EBL층은활성층으로부터전자의이탈을막아주는역할을하여캐리어주입효율을향상시켜준다.

AlGaN 층의 p형도핑농도를증가시키기위해서는 AlGaN/GaN 초격자구조 (superlattices) 를형성하는방법이주로사용되지만, [8] 이경우수평방향의캐리어이동은향상되나수직방향의이동은제한되기때문에그림 7(b) 와같이전자의이탈이생겨비발광결합이발생하기도한다.

정공농도를증가시키기위해도펀트의양을늘리게되면 Mg이결함으로작용하여결정결함의증가, 도핑농도의감소를초래하기때문이다. 또한 p형 GaN의정공농도는 Mg 와수소와의복합체형성, Mg과질소 -공공(vacancy) 복합체와의 self-compensation에제한받기때문에이같은문제점을해결하기위해델타도핑이활용되고있다.

4 (a) (b) 그림 6. M 면 LED 의발광결과. [7] 그림 8. 델타도핑의실행프로파일 (a) 과이를이용한소자구조 (b). [10] 그림 7. 자외선 LED 의밴드다이어그램도식도. [9] (EBL) 의삽입으로내부양자효율의향상을이루는방법도연구되고있다. 그림 7(a) 에서와같은 EBL층은활성층으로부터전자의이탈을막아주는역할을하여캐리어주입효율을향상시켜준다. 아래삽입그림에서보듯이 EBL은낮은 p형도핑농도에서는활성층으로정공의유입을막는장벽역할도하기때문에높은 p형도핑농도가필요하게된다. 하지만 AlGaN 층의 p형도핑은 200 mev 이상의높은억셉터활성화에너지로인해쉽지않은문제이다. AlGaN 층의 p형도핑농도를증가시키기위해서는 AlGaN/GaN 초격자구조 (superlattices) 를형성하는방법이주로사용되지만, [8] 이경우수평방향의캐리어이동은향상되나수직방향의이동은제한되기때문에그림 7(b) 와같이전자의이탈이생겨비발광결합이발생하기도한다. 전류가한곳에집중되는전류군집현상 (current crowding) 을억제하기위한고품질, 고농도의 p형 GaN의성장을통해내부양자효율을증가시키는방법도보고되고있다. GaN계물질의 p형도펀트로는 Mg이사용되는데 200 mev 이상의높은억셉터활성화에너지를갖고있기때문에도핑이용이하지않다. 정공농도를증가시키기위해도펀트의양을늘리게되면 Mg이결함으로작용하여결정결함의증가, 도핑농도의감소를초래하기때문이다. 또한 p형 GaN의정공농도는 Mg 와수소와의복합체형성, Mg과질소 -공공(vacancy) 복합체와의 self-compensation에제한받기때문에이같은문제점을해결하기위해델타도핑이활용되고있다. Ga, N, Mg 소스를한꺼번에흘려주며성장하던기존의도핑방법에비해델타도핑은그림 8(a) 와같이중간에 Ga 소스의공급을중단하고 Mg 소스를공급하는방법으로결정성의손상없이정공농도의증가를얻을수있었다. [10] 델타도핑으로인해 Mg 도펀트의패킹이좀더조밀해져서 Mg의활성화에너지가감소하고, 질소공공의감소로인해 selfcompensation 효과가줄어들었기때문이다. 2. 광추출효율의향상 활성층영역에서발생한광자는외부로방출되는도중에기판과에피층사이의계면등에서두물질간굴절률차이에의해반사되는양이생기게되는데, 이때다중반사를겪을수록광자의소멸율이증가하여광추출효율이저하된다. 보통표면으로방출되는양이약 8%, 기판으로나가는양이약 20%, 칩내부에서가이드되는양이약 72% 정도된다. 광추출효율의향상은소자를에칭하여빛이방출되기쉬운구조를형성하거나반사판역할을하는기판을에피층과떼어내는등에피층형성이후의후속공정에서주로이루어진 [8] J. K. Kim, E. L. Waldron, Y.-L. Li, T. Gessmann, E. F. Schubert, H. W. Jang, and J.-L. Lee, Appl. Phys. Lett. 84, 3310 (2004). [9] J. K. Kim, E. Fred Schubert, J. Cho, C. Sone, J. Y. Lin, H. X. Jiang and J. M. Zavada, J. Electrochemical Society 153, G734 (2006). [10] C. Bayram, J. L. Pau, R. McClintock, and M. Razeghi, J. Appl. Phys. 104, (2008). 5

그림 9. 표면거칠기를통한광추출증가의도식도. (a) (b) 그림 11. 베이징올림픽파크야경과개막식의 LED 오륜기. [12] 그림 10.

표면거칠기를인위적으로증가시켜그림 9의도식도와같이빛의전반사를줄이는것이본기술의핵심인데, 에피성장기술과관련해서는성장조건의조절을통해 p형 GaN의표면거칠기를증가시켜

또한전세계적으로제기되는환경문제와에너지부족문제를생각해보면차세대광원으로서 LED 의중요성은점점커질것이분명하다.

본문에서언급했던니치아회사의예에서도알수있듯고효율 LED 개발의원천기술에대한국가적인투자가절실한시점이다.

여러가지의미가있겠지만그이면에는차세대빛으로각광받는 LED의무한한가능성에, 차세대리더국가로의등극을노리는중국정부의의지가투영된것은아닐까생각해본다.

5 그림 9. 표면거칠기를통한광추출증가의도식도. (a) (b) 그림 11. 베이징올림픽파크야경과개막식의 LED 오륜기. [12] 그림 10. 일반적인 p 형 GaN 표면 (a) 과표면거칠기를증가시킨 p 형 GaN 표면 (b). [11] 다. 표면거칠기를인위적으로증가시켜그림 9의도식도와같이빛의전반사를줄이는것이본기술의핵심인데, 에피성장기술과관련해서는성장조건의조절을통해 p형 GaN의표면거칠기를증가시켜 LED의광추출효율을향상시킨연구가보고되었다. [11] 맺음말 범위는넓어질것이다. 또한전세계적으로제기되는환경문제와에너지부족문제를생각해보면차세대광원으로서 LED 의중요성은점점커질것이분명하다. 현재우리나라 LED 산업은고부가가치분야에서는일본, 미국등선도국가의원천기술에밀리고, 저부가가치분야에서는대만, 중국등의생산력에밀리고있는상황이다. 본문에서언급했던니치아회사의예에서도알수있듯고효율 LED 개발의원천기술에대한국가적인투자가절실한시점이다. 얼마전열렸던베이징올림픽은 빛의올림픽 을표방하며성화를제외한모든빛에 LED를이용하여화제가되었다. 여러가지의미가있겠지만그이면에는차세대빛으로각광받는 LED의무한한가능성에, 차세대리더국가로의등극을노리는중국정부의의지가투영된것은아닐까생각해본다. 단순표시소자에불과하던 LED가기술의발전과더불어 LCD BLU, 자동차전조등, 일반조명에이르기까지널리사용되고있다. 그리고식물생장촉진, 심리치료등응용범위는점점확장되고있으며, 파장대를조절할수있다는특성때문에차후에는우리가상상하기힘든분야에까지 LED의사용 [11] C. M. Tsai, J. K. Sheu, P. T. Wang, W. C. Lai, S. C. Shei, S. J. Chang, C. H. Kuo, C. W. Kuo, and Y. K. Su, IEEE Photonics Tech. Lett. 18, 1213 (2006). [12] 사진출처 : CNSphoto, 신화망. 6

< C6AFC1FD28B7F9C7D1BFAD292E687770>

< C6AFC1FD28B7F9C7D1BFAD292E687770> 2014 노벨물리학상 GaN LED 연구의 역사 DOI: 10.3938/PhiT.23.050 류 한 열 A Brief History of GaN LED Research Han-Youl RYU AlxGa1-xN In this article, the history of GaN-based blue-light-emitting diode (LED) research is