기존 LED는 효율성, 안정성 및 소자 크기 측면에서 뛰어난 성능을 바탕으로 조명 및 디스플레이 분야에 혁명을 일으켰습니다. LED는 일반적으로 얇은 반도체 필름을 여러 겹 쌓아 만든 것으로, 가로 길이가 수 밀리미터에 불과하여 백열전구나 음극관과 같은 기존 소자보다 훨씬 작습니다. 그러나 가상 현실 및 증강 현실과 같은 새로운 광전자 응용 분야에서는 마이크론 이하의 크기를 가진 LED가 필요합니다. 마이크로 또는 서브마이크론 크기의 LED(µLED)는 기존 LED가 가진 높은 안정성, 고효율 및 밝기, 초저전력 소비, 풀컬러 발광과 같은 우수한 특성을 유지하면서 면적은 약 백만 배 작아져 더욱 소형화된 디스플레이를 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한, 이러한 LED 칩을 실리콘 기판 위에 단일 칩으로 성장시키고 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 전자 소자와 통합할 수 있다면 더욱 강력한 광자 회로를 구현하는 데에도 기여할 수 있을 것입니다.
하지만 지금까지 이러한 마이크로 LED는 특히 녹색에서 적색 발광 파장 범위에서 구현하기 어려웠습니다. 기존의 마이크로 LED 제작 방식은 InGaN 양자 우물(QW) 박막을 에칭 공정을 통해 마이크로 크기 소자로 제작하는 하향식 공정입니다. InGaN의 우수한 특성, 예를 들어 효율적인 전하 수송 및 가시광선 영역 전체에 걸친 파장 가변성 등으로 인해 박막 InGaN QW 기반 TiO2 마이크로 LED는 많은 주목을 받았지만, 소자 크기가 작아질수록 악화되는 측벽 부식 손상과 같은 문제점을 안고 있었습니다. 또한, 편광장의 존재로 인해 파장/색상 불안정성도 나타났습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 비극성 및 반극성 InGaN과 광자 결정 공진기 등의 솔루션이 제안되었지만, 현재까지는 만족스러운 수준에 도달하지 못했습니다.
미시간대학교 애너벨 캠퍼스의 제티안 미 교수 연구팀은 학술지 'Light Science and Applications'에 발표한 새로운 논문에서 기존의 난제를 완전히 극복한 서브마이크론 크기의 녹색 LED(III-질화물)를 개발했습니다. 이 마이크로 LED는 선택적 영역 플라즈마 보조 분자빔 에피택시(SR-MBE) 방식으로 합성되었습니다. 기존의 하향식 접근 방식과는 달리, 이 마이크로 LED는 각각 직경이 100~200나노미터에 불과한 나노와이어들이 수십 나노미터 간격으로 배열된 구조를 가지고 있습니다. 이러한 상향식 접근 방식은 측벽 부식으로 인한 손상을 효과적으로 방지합니다.
소자의 발광부, 즉 활성 영역은 나노와이어 형태를 특징으로 하는 코어-쉘 다중 양자 우물(MQW) 구조로 구성됩니다. 특히, MQW는 InGaN 우물과 AlGaN 장벽으로 이루어져 있습니다. 측벽에서 3족 원소인 인듐, 갈륨, 알루미늄의 흡착 원자 이동 차이로 인해, GaN/AlGaN 쉘이 MQW 코어를 부리토처럼 감싸고 있는 나노와이어 측벽에는 인듐이 결여되어 있음을 발견했습니다. 연구진은 이 GaN/AlGaN 쉘의 Al 함량이 나노와이어의 전자 주입 측에서 정공 주입 측으로 갈수록 점차 감소하는 것을 확인했습니다. GaN과 AlN의 내부 분극장 차이로 인해 AlGaN 층에서 이러한 Al 함량의 부피 기울기가 발생하고, 이는 자유 전자를 유도하여 MQW 코어로 쉽게 유입되도록 하며, 분극장을 감소시켜 색 불안정성을 완화합니다.
실제로 연구진은 직경이 1마이크론 미만인 소자의 경우, 전류 유도 발광(전기발광)의 최대 파장이 전류 주입량 변화량의 일정 범위 내에서 유지된다는 사실을 발견했습니다. 또한, 미 교수 연구팀은 이전에 실리콘 기판 위에 고품질 GaN 코팅을 성장시켜 나노와이어 LED를 제작하는 방법을 개발한 바 있습니다. 따라서 마이크로 LED는 실리콘 기판 위에 구현되어 다른 CMOS 전자 소자와 바로 통합할 수 있습니다.
이 마이크로LED는 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다. 칩에 통합된 RGB 디스플레이의 발광 파장이 적색까지 확장됨에 따라 이 장치 플랫폼은 더욱 견고해질 것입니다.
게시 시간: 2023년 1월 10일