차세대반도체연구회

(요약) 2007년 9월 16일부터 21일까지의 일정으로 질화물 반도체 기술과 관련된 국제 학회인 [ICNS-7]이 미국 라스베이거스에서 개최되었다. GaN이나 AlN, InN 등의 질화물 반도체 관련의 신규 기술 발표가 잇따랐으며, 200건의 구두 발표와 700건의 포스터 발표가 진행되었다. 그 중에서도 GaN계 재료의 비극성면이나 반극성면에 관한 발표 건수가 크게 늘어난 점이 이번 학회의 특징이라고 할 수 있다. 이 밖에도 기지국 등에 사용되는 고주파 회로와 자동차의 전원 회로에 이용되는 GaN계 반도체 소자에 관한 발표도 증가 추세에 있다는 분석이다. 이 자료에서는 이번 학회에서 발표된 GaN 기판 기술과 관련된 기술 동향을 소개한다. (내용) GaN 결정을 이용하는 청색 LED나 청자색 반도체 레이저 등의 발광 소자, 무선 기지국용 파워 회로, 산업 기기용 트랜지스터는 보통 GaN 결정의 c면(0001면)으로 불리는 극성면 상에 소자를 형성한다. 비극성면이란 극성면에 대해 법선 방향의 면을 말하며, 반극성면이란 극성면에 대해 경사진 면을 말한다. 비극성면이나 반극성면을 이용하면 이론적으로는 발광 효율을 높일 수 있다. 발광 효율 저하의 원인인 피에조 전계(주1)를 약화시킬 수 있기 때문이다. 그러나 종래의 비극성/반극성 LED의 외부 양자 효율이나 광출력은 오히려 시판 제품에 비해 낮았다. 아직 비극성/반극성 GaN 결정의 제조 기술이나 이를 이용한 소자 기술의 충분히 성숙되지 않았기 때문이다. 미국 University of California, Santa Babara(UCSB)는 아모노 서멀법이라고 불리는 새로운 방법을 이용하여 GaN 결정을 제조하는 기술에 대해 발표하였다. 아모노 서멀법은 수정을 제작할 때 사용하는 수열 합성법을 응용한 것이다. 즉 고온고 압하에서 광화제를 첨가한 NH3를 초임계상태로 한 후, 원료인 Ga 또는 GaN를 융해시켜, 온도를 바꾸어 가면서 융해시킨 GaN 결정을 석출하는 방법이다. 일반적인 수열합성법에서 사용하는 물을 NH3로 바꾼 것이라고 할 수 있다. 이론적으로는 수정처럼 매우 큰 결정을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 결정면을 자유롭게 잘라낼 수 있다는 장점이 있는 것으로 알려져 있어, 일본에서도 동북대학의 연구 그룹이 개발을 진행하고 있는 기술이다. 이 방법으로 큰 GaN 결정을 제작할 수 있다면 GaN 결정의 c면이나 비극성면, 반극성면 등의 결정면을 자유롭게 잘라낼 수 있다. 이번에 아모노 서멀법을 이용하여 GaN 결정을 얻을 수 있었던 것은 고온고압 상태를 견딜 수 있는 장치를 개발할 수 있었기 때문이라고 설명했다. 이번에 성장한 시작품의 성장 기간은 82일이며 성장 압력 및 온도는 각각 220MPa, 510~575℃이다. 앞으로 이 연구 그룹은 다양한 방향으로 발생하는 그레인의 억제, 성장 레이트의 향상, 결정의 대형화, 무색에 가까운 GaN 결정의 제작 등을 목표로 개발을 진행할 계획이다. 한편, 일본의 미츠비시 화학은 크기가 12mm×20mm 정도로 종래보다 대형화 된 m면 GaN 결정을 제작하여 발표하였다. 이전의 크기는 5mm×20mm 정도였다. 현재 c면 기판으로는 2인치 크기의 GaN 기판이 상용화되어 있으나, m면 기판의 경우 큰 기판의 제작은 매우 어려운 상황이다. 이번에 미츠비시 화학은 우선 c면에 수직한 방향으로 GaN 결정을 성장시킨 후, c면과 수직으로 GaN 결정을 잘라내는 방법으로 m면 기판을 제작하는 방법을 적용하였다. 따라서 c면의 수직 방향이 m면 기판의 짧은 변 길이가 된다. 따라서 이 방법으로 m면 기판의 짧은 변을 길게 하기 위해서는 c면 기판의 두께를 두껍게 할 필요가 있다. 보통 c면 기판의 두께는 5mm 정도이나, 이번에 이것을 12mm까지 두껍게 한 것이다. 또한 미국의 Kyma Technologies사와 North California State University의 연구그룹은 c면 GaN 기판에서 m면을 잘라낸 후 다시 성장시키는 재성장 기법을 이용하여 제조한 m면 GaN 기판을 제작하여 발표하였다. 연마를 하였다. m면 결정의 크기는 4mm×8mm이다. (주1) 피에조전계: 결정 구조의 스트레인에 의해 생기는 압전 분극에 의하여 발생하는 전계이다. 청색 발광 다이오드나 녹색 LED 등, InGaN을 발광층으로 사용하는 LED의 외부 양자 효율을 저하시키는 요인이다. 피에조 전계는 c축 방향을 따라 발생하기 때문에 InGaN층의 결정 성장 축을 c축 방향에서 기울어진 방향으로 설정하면 성장축 방향이 미치는 피에조 전계의 영향을 약화시켜 외부 양자 효율 향상을 도모할 수 있다. * 출처: 한국과학기술정보연구원(일본 테크온 니케이BP)