LED 시장 큰변화 가져올 기술 개발 가능

한국기초과학지원연구원, 차세대 반도체 소재 비밀 규명

한국기초과학지원연구원 연구진은 실리콘 기반 질화갈륨 반도체의 전기-빛 변환효율 저하의 원인이 그 독특한 원자 결함에 있다는 것을 밝혀냈다. ⓒ 한국기초과학지원연구원

한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 KBSI) 양민호·백현석·이문상 박사 연구진은 새로운 투과전자현미경 영상기법을 개발해 실리콘 기반 질화갈륨 반도체의 전기-빛 변환효율 저하의 원인이 그 독특한 원자 결함에 있다는 것을 밝혀냈다.

실리콘 기반 질화갈륨(GaN) 반도체의 전기-빛 변환 효율이 낮은 이유가 밝혀짐에 따라 사파이어 기반으로 형성 된 현 질화갈륨 LED 시장에 큰 변화를 가져올 것으로 보인다.

연구진은 차세대 반도체 소재로 각광받는 질화갈륨 반도체를 실리콘 기반에서 만들 경우 결정층이 만들어지는 성장 방향에서 기울어진 원자결함 구조가 생기는 것을 확인하고, 새로운 3차원 현미경 영상기법을 활용해 결함 구조가 기존에는 예상하지 못했던 금속결합으로 구성 되어 있음을 확인했다.

금속결합의 경우 빛으로 변환되는 전자의 수가 크게 줄어들어 효율 저하를 야기한다.

향후 이 기울어진 원자결함을 피하는 성장기술이 개발되면 질화갈륨 LED 생산공정에도 큰 변화가 일 것으로 보인다.

실리콘 기반으로도 현재의 사파이어 기반 LED와 같은 품질의 LED 생산이 가능해지면 9배 이상 넓은 질화갈륨을 생산이 가능해질 뿐 아니라 실리콘 기반의 장비와 기술들을 거의 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.

일반적인 전자현미경 입체 영상법은 평면에 비해 수직 방향 구별 능력이 떨어져 입체적인 원자 구조의 분석이 어려운데, 연구진은 이 영상기법에 회절조건 변화를 조합하여 원자결함의 입체적 구조를 밝혀 낼 수 있었다.

회절은 전자빔이 원자 배열의 특정한 각도에서 강한 반사를 일으키는 현상으로 원자배열이 바뀌는 결함 지역에서 회절조건도 변하는 점을 이용하면 원자들의 상하좌우 이동방향을 알 수가 있다.

이런 회절조건 변화의 구현은 KBSI 서울센터의 단색전자빔 이중수차보정 투과전자현미경이 지닌 뛰어난 해상도의 입체영상 능력이 있어 가능했다.

이번 성과는 나노소재 분야 세계 최고 권위 학술지인 ‘Nano Letters’지 7월 3일자 온라인판(논문명 : Partial Edge Dislocations Comprised of Metallic Ga Bonds in Heteroepitaxial GaN, IF=12.08, 1저자 이문상, 공저자 백현석, 교신저자 양민호)에 게재되었다.

양민호 박사는 “이번 연구는 새로운 전자현미경 기법 개발로 반도체의 효율 문제를 규명한 사례”라며 “다양한 물질 현상들을 밝혀내기 위해서는 보다 더 진보된 입체 전자현미경 연구법을 개발할 필요가 있다”고 말했다.