그림. 실리콘 웨이퍼 위에 성장된 입방체 GaN.  

케임브리지 대학(University of Cambridge)의 케임브리지 GaN 센터(Cambridge Centre for GaN)와 Anvil Semiconductors Ltd of Coventry의 연구진은 금속-유기 화학 기상 증착(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 실리콘 웨이퍼 위에 3C-SiC와 입방체 GaN을 성장시키는데 성공했다. 

이번 연구진은 100mm 지름을 가진 실리콘 웨이퍼 위에 3C-SiC 층을 성장시키기 위해서 실리콘 카바이드를 이용하였다. 이 프로세스는 격자 매개변수 속의 불일치와 확대로 인한 열적 효과를 극복할 수 있게 하고, 변형 없이 150mm 지름을 가진 웨이퍼 위에 쉽게 전사될 수 있고, 산업용 규모로 제조될 수 있다. 

이번 연구진은 MOCVD로 단일상 입방체 GaN을 성장시키는데 성공했다. 이 층은 X-선 회절(x-ray diffraction, XRD), 투과 전자 현미경, 광발광 및 원자 힘 현미경(atomic force microscopy, AFM)으로 조사되었다. 단일상 입방체 GaN은 LED에 유망하게 적용될 수 있다. 

입방체 GaN는 기존의 녹색 LED의 제조를 어렵게 하고 전자-홀 재결함을 손상시키고 외부 양자 효율의 향상을 어렵게 하는 강한 내부 전기장을 제거할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 또한 입방체 GaN은 더 좁은 밴드갭을 가지고 있고, LED에 일반적으로 사용되는 표준 육방정계 GaN 상과 비교했을 때 향상된 p-형 전기적 특성을 가진다. 즉, 입방체 GaN은 몇 가지 장점들을 가진다. 큰-지름의 실리콘 웨이퍼 위에 쉽게 적용할 수 있는 입방체 GaN을 제조할 수 있기 때문에 LED의 효율을 향상시키고 LED 신호 전달의 비용을 감소시키는데 매우 큰 역할을 한다. 

이번 연구팀은 이 기술을 상용화하는데 도움을 줄 수 있는 산업계 파트너를 찾기 전에 LED 샘플을 제조하는 연구를 지속할 계획을 가지고 있다. 

“이것은 매우 유망한 연구결과이고 최첨단 LED를 개발하기 위해서 현재의 연구 활동과 잘 일치한다”고 이 연구를 이끌었던 Sir Colin Humphreys 교수가 말했다. “이것은 그린 장치에서 현재 관찰되는 많은 문제들을 극복할 수 있는 잠재력을 가지고 있고, 고체-상태 조명 분야에 지속적으로 혁신을 불러오는데 기여할 수 있을 것”이 라고 그는 덧붙였다. 

이번 연구진은 15년 동안 GaN 성장 기술을 개발하고 있고, 국제적인 GaN 연구를 위해서 에피택시 층을 공급하고 있다. 이것은 대면적 실리콘 기판 위에 사파이어, 벌크 SiC, 벌크 GaN, GaN 층을 성장시키는데 기여한다. 2011년에, 실리콘 위에 GaN 성장을 위해서 개발되었는데, 이것은 현재 LED를 제조하는데 적용되고 있다. 

이번 연구진은 ‘Lighting the Future’와 같은 프로그램을 통해서 EPSRC, EU로부터 자금을 지원받고 있다. 이 연구는 GaN 속의 LED 구조를 개발하고 그들의 성능을 제한하는 요인들을 이해하는데 초점을 맞추고 있다. 또한 이것은 전자장치, 레이저, 단일-광자원 등의 다양한 분야에 GaN을 적용하는 것을 목적으로 하고 있다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』