GaN 베이스 블루 LED(발광다이오드)의 발명은 ‘에디슨 후의 제2차 조명 혁명’에 속한다. 아카사키 이사무(일본), 아마노 히로시(일본), 나카무라 슈지(미국) 3명 과학자는 블루 LED를 개발한 공로로 2014년 노벨 물리학상을 수상하였다.

블루 LED와 형광체를 합성한 화이트 LED(white LED)의 발광 효율은 형광등의 2배에 달하고 있으며 현재 이미 LCD 백라이트(LCD backlight)에 폭넓게 응용되고 있는 상황이다. 하지만 가격이 매우 높은 것이 문제가 되고 있다. 전통 GaN 베이스 블루 LED는 일반적으로 작업 전류 밀도가 20A/㎠ 수준에 달하기 때문에 LED의 작업 전류 밀도를 향상시키고 단위당 칩 면적 상에서 더욱 많은 광 출력을 실현하게 되어 LED 조명 원가를 감소시키고 LED로 하여금 자동차의 헤드라이트(headlights) 및 프로젝터(projector) 등 밝은 광원(Bright light source)이 필요한 분야에 적용될 수 있게끔 한다.

하지만 블루 LED가 큰 전류 밀도 하에서 작업할 때 효율이 떨어지는 문제가 존재하는데 구체적으로 효율 드룹(Efficiency Droop) 문제가 존재하여 하이 파워, 하이라이트 조명 분야 발전에 영향을 끼치고 있는 상황이다. 최근 많은 과학자들은 효율이 떨어지는 원인에 대한 연구를 실행하고 블루 LED 양자 효율이 작업 전류 밀도 증가에 따라 대폭 떨어지는 문제에 대한 연구를 실행하고 있다.

중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 바이오닉 연구소는 연구소가 설립될 때부터 GaN 베이스 블루 LED 연구를 실행하였으며 지난 2010년도에 상용화를 실현한 상황이다. 최근 수저우 나노 기술 및 바이오닉 연구소 산하 ‘나노 디바이스 연구개발부’ 류젠핑(劉建平) 연구원 연구팀은 관련 연구를 통해 블루 LED 효율이 떨어지는 문제점에 대한 연구를 실행하여 혁신적인 성과를 취득한 상황이다.

연구팀은 신형 블루 LED 활성 구역 구조(Active region structure)를 통해 평면 사파이어 기판(Flat sapphire substrates) 상에서 초 저효율이 떨어지는 블루 LED를 개발하는데 성공하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 저명 학술지 응용물리학 레터지(Applied Physics Letters)에 발표되었다(105, 173510 (2014)).

국제 반도체 산업 분야에서 폭넓은 영향력을 보유하고 있는 저명 저널 Semiconductor Today에서도 연구팀의 관련 연구 성과에 대해 전문 보도를 하였다.

연구팀이 디자인한 LED 구조(그림 1. 참조) 중의 다중 양자 우물(Multiple quantum well)의 활성 구역 양자 장벽(active region quantum barrier)은 InGaN 재료를 사용하여 전통 블루 LED 속에서 비교적 많이 사용하는 GaN 재료를 대체하였다. InGaN 양자 장벽 중의 In 몰분율(Molar fraction)은 변하는데 P 타입 층에서 N 타입 층 방향으로 계단식으로 감소된다(InGaN-SC QB(양자 장벽)). 구체적으로 양자 장벽 층의 장벽은 P 타입 층에서 N 타입 층 방향으로 계단식으로 감소된다.

연구팀이 디자인한 활성 구역 구조는 공동(Cavity)이 활성 구역에서의 확산 장벽을 감소시켜 공동으로 하여금 멀티 양자 우물 속에서의 분포를 더욱 균일하게끔 한다. 하지만 연구팀이 지난 2008년도에 관련 연구를 통해 취득한 연구 결과를 보면, 전통 GaN 양자 장벽 LED 속의 대부분 공동이 P 타입 층의 1~2개 양자 우물 속에 근접해 있기 때문에 큰 전류 밀도 주입 하에서 양자 우물 속 캐리어 밀도가 더욱 높아져 LED 효율을 떨어뜨리게 된다는 연구 결론을 도출한 것(Appl. Phys. Lett. 93，021102 (2008))으로 나타났다.

평면 사파이어 기판(Flat sapphire substrates) 상에서 개발한 InGaN-SC-QB LED 칩이 전기 주입 하에서 송출하는 광 파워와 외부 양자 효율(EQE)은 전통 GaN-QB LED와 비교된다(그림 2. 참조). 200A/㎠ 전류 밀도 하에서 전통 GaN-QB LED의 외부 양자 효율 감소폭은 28.4% 수준에 달한다. 하지만 InGaN-SC-QB LED 외부 양자 효율 하에서의 감소폭은 3.3% 수준에 달하며, InGaN-SC-QB LED의 송출 광 파워는 전통 GaN-QB LED보다 47% 높은 것으로 나타났다.

이런 상황은 연구팀이 개발한 신형 InGaN-SC-QB LED는 200A/㎠, 심지어 더욱 높은 전류 밀도 하에서 작업할 수 있기 때문에 전통 LED 작업 전류 밀도보다 한 개 수량 등급이 증가되었음을 의미하고 있다.

연구팀은 신형 InGaN-SC-QB LED 저효율 하락의 물리 메커니즘에 대한 실험 연구를 실행하였다. 연구팀이 이번 실험 연구에서 사용한 방법은 ‘우물 검출 방법(monitor well method)’이라고 하는데 블루 멀티 양자 속의 한 개 우물을 발광 파장이 480nm에 달하는 장 파장 양자 우물로 교체하여 동 우물 속의 캐리어 밀도와 처한 위치와의 관계를 평가하는 방법이다.


동 결과는 전통 GaN-QB LED 속 양자 우물의 발광 강도가 P 타입에 근접한 양자 우물에서 N 타입에 근접한 양자 우물로의 근사 지수가 감소되고 있다는 점을 나타내고 있으며, P 타입에 근접한 양자 우물의 발광 강도는 N 타입에 제일 근접한 양자 우물 발광 강도의 4.5배 수준에 달한다는 점을 나타내고 있다. 이런 상황은 공동이 높은 불균형 분포 특징을 보유하고 있다는 점을 나타내고 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 InGaN-SC-QB LED 속에서 발광 강도의 최대 차이는 1.7배 밖에 되지 않고 있으며 이런 차이는 네 번째 우물과 첫 번째 우물 간의 차이를 나타내고 있다는 연구 결론을 도출하였다. 이런 결과는 공동 분포의 개선을 입증하고 있을 뿐만 아니라 InGaN-SC-QB LED 속의 양자 효율이 기본적으로 감소되지 않는다는 물리 메커니즘을 제시해 주고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』