심자외 발광다이오드 출력 세계최고값 달성

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-02-26

일본 이화학연구소와 과학기술진흥기구의 연구팀은 살균효과가 높고 다이옥신 등 공해물질의 고속분해가 가능한 파장 250nm대역 심자외[주1] 발광다이오드 (LED)의 출력을 종전의 약 7배인 15mW로 크게 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다. 파장 220~350nm 대역의 심자외광을 발하는 고휘도 LED와 같은 파장의 레이저를 발생하는 심자외 반도체 레이저는 살균, 정수, 각종의료분야, 고연색 LED 조명, 공해물질의 고속분해처리 등 매우 넓은 분야에서의 응용이 기대되고 있다. 이번에 연구팀은 다중양자장벽층[주2]을 심자외 LED에 최초로 도입하여 전자주입효율 80% 이상을 달성하는 데 성공하였으며, 그 결과 파장 250nm의 LED의 효율을 지금까지의 0.4%에서 1.5%까지 약 4배 증가시켜 자외광 출력을 실온 연속동작에서 이전의 2.2mW에서 15mW까지 약 7배 높이는 데 성공하였다. 이 성과는 2월 26일자 [Applied Physics Express]에 게재되었다. 파장이 220~350nm 대역인 심자외광을 효율적으로 발생하는 발광 다이오드(LED)나 반도체레이저(LD)는 매우 폭넓은 분야에서의 응용이 기대되고 있다. 특히 박테리아 등의 살균에서는 자외광보다 직접 살균하는 효과가 가장 높은 250~280nm 부근의 파장영역의 광이 응용되고 있으며, 유기물, 더스트, 다이옥신 등의 난분해성 오염물질의 분해에서는 산화티탄 등의 광촉매에 파장 270~320nm 대역의 자외광을 조사하여 효과적으로 분해하는 자외선조사 시스템이 주목을 받고 있다. 지금까지 심자외 광원은 엑시머 레이저나 각종 SHG 레이저[주3]와 같이 가스나 고체를 매체로 한 자외레이저나 가스램프가 주류를 이루고 있었다. 하지만 이는 대형이고 수명이 짧으며, 고가이기 때문에 일반적인 응용이 어려운 것이 현실이었다. 한편, 반도체를 사용한 고휘도 심자외 LED나 자외 LD가 실현되면 소형이면서 저렴하고 고효율, 장수명의 자외 광원을 얻을 수 있어 응용분야가 크게 늘어날 것으로 기대되어 그 개발이 요구되어 왔다. AlGaN계 재료는 실용 가능한 심자외 발광 디바이스를 실현하는 재료로서 가장 유력한 것으로 생각되어 왔으며 많은 연구그룹이 AlGaN계 심자외 발광소자 실현을 위한 연구개발을 진행해 왔다. 그러나 AlGaN계 심자외 LED는 p형층의 홀 농도가 매우 낮기 때문에 발광층에의 전자주입효율이 10~30%로 낮아 심자외 LED의 고효율화가 어려운 상황이었다. 이번 연구에서 연구팀은 전자블록층으로 다중양자장벽 (MQB, multiquantum Barrier)을 양자우물 발광층 상부에 삽입함으로써 이 문제의 해결에 착수하였다. 단일 장벽구조의 경우, 장벽의 높이는 장벽 최상부의 포텐셜 에너지로 결정되며, 그 이상의 에너지를 갖는 전자는 거의 반사되지 않아 발광층에 돌아오지 못한다. 이 때문에 에너지가 높은 전자는 발광층에 주입되지 않고 p형층 쪽으로 흘러나간다. 그러나 MQB를 사용하게 되면 양자역학적인 전자의 다중반사효과에 의해 장벽의 높이보다 높은 에너지를 갖는 전자도 반사되어 단일장벽의 경우에 비해 실효적인 장벽높이가 약 2배 정도의 높은 전자블록 효과를 실현할 수 있다. 그 결과 MQB를 이용한 전자블록층은 발광층으로의 전자주입효율이 단일장벽층의 경우보다 10~30% 정도에서 최대 80% 이상 비약적인 개선을 나타내었다. MQB를 도입한 AlGaN계 심자외 LED의 발광 스펙트럼, 자외광출력, 외부양자효율 등을 측정한 결과, 살균효과가 높은 파장대역인 250~262nm에서 고효율 동작을 실현할 수 있었다. 또한 MQB를 도입한 AlGaN계 심자외 LED의 외부양자효율의 파장의존성을 종래의 단일장벽 심자외 LED와 비교해보면 파장 250~260nm 대역에서 대폭적인 효율의 개선을 확인하였다. 그리고 MQB는 동일 주기의 반복보다는 변조장벽을 채용하는 편이 효과가 높다는 사실을 알게 되었다. 이러한 결과는 아직 실험의 초기단계의 성과이며, 앞으로 MQB 구조를 최적화 함에 따라 효율을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구에서는 지금까지 불가능하다고 생각되어 온 심자외 LED의 고효율화에 처음으로 성공하고 자외광출력을 실용적인 수준을 크게 상회하는 수준까지 끌어올렸다. 앞으로 MQB 구조의 최적화를 수행함으로써 파장 250~280nm 대역의 살균용 심자외 LED의 효율을 더욱 향상시켜 파장 220~390nm의 넓은 파장영역에서도 고효율화를 실현해 나갈 계획이다. 또한 MQB는 높은 에너지이 전자를 반사하는 효과가 높기 때문에 고캐리어 밀도의 경우 특히 그 효과를 발휘하며 지금까지 실현된 바가 없는 심자외 LED를 실현하기 위한 핵심 기술이 될 전망이다. [주1] 심자외: 여기서는 자외파장 영역 중 200~350nm 대역을 심자외라고 정의하고 있다. [주2] 다중양자장벽: 반도체 중의 전자의 파장 정도의 막 두께를 가지는 반도체 다층 헤테로 구조에서 장벽층과 장벽층을 고대로 다층 적층시킨 구조이다. 장벽층이 한 층일 때는 장벽의 포텐셜에너지 이상의 전자는 투과해 나가는 데 비해 MQB에서는 양자역학적인 다중반사효과가 작용하여 장벽의 포텐셜에너지보다 2~3배 높은 에너지의 전자도 반사가 가능하다. [주3] SHG레이저: 비선형 광학결정을 이용한 고체 레이저로 기본파의 레이저 광을 입사하여 두 배의 에너지를 가지는 제2고주파를 발생시키는 레이저이다. (그림1) 반도체 심자외 광원의 응용분야이다. (그림2) 다중양자장벽을 이용한 AlGaN계 자외 LED의 구조와 발광의 모습이다. Jst_100226_01.jpg Jst_100226_02.jpg 출처 : http://www.jst.go.jp/pr/announce/20100225/index.html