질화 갈륨
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1. 개요
질화 갈륨(GaN)은 단단하고 기계적으로 안정적인 광대역 반도체 물질로, 높은 열용량과 열전도도를 가진다. 실리콘이나 산소로 n형, 마그네슘으로 p형 도핑이 가능하며, 주로 사파이어 또는 탄화규소 위에 박막 형태로 증착된다. GaN은 밴드갭이 약 3.4eV로 자외선 영역의 광원이며, LED 및 레이저, 트랜지스터, 전력 IC, 레이더 등 다양한 분야에 응용된다. 특히 고주파 디바이스, 고출력/고주파 소자, 능동전자주사배열(AESA) 레이더 등에 활용되며, LED 개발 공로로 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지가 노벨 물리학상을 수상했다. GaN 분진은 자극성이 있으며, 벌크 GaN은 무독성이며 생체 적합성을 가진다.
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| 질화 갈륨 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| IUPAC 명칭 | 질화 갈륨(III) |
| 다른 이름 | 질화 갈륨 |
| 화학식 | GaN |
| 몰 질량 | 83.730 g/mol |
| 외형 | 노란색 분말 |
| 밀도 | 6.1 g/cm3 |
| 용해도 | 불용성 |
| 융점 | > 1600 °C |
| 밴드갭 | 3.4 eV (300 K, 직접) |
| 전자 이동도 | 1500 cm2/(V·s) (300 K) |
| 열전도율 | 1.3 W/(cm·K) (300 K) |
| 굴절률 | 2.429 |
| 구조 | |
| 결정 구조 | 우르츠광 |
| 공간군 | C6v4-P63mc |
| 배위수 | 사면체 |
| 격자 상수 a | 3.186 Å |
| 격자 상수 c | 5.186 Å |
| 열화학 | |
| 생성 엔탈피 | −110.2 kJ/mol |
| 위험성 | |
| 외부 SDS | Sigma-Aldrich |
| 인화점 | 불연성 |
| GHS 신호어 | 경고 |
| NFPA 보건 | 2 |
| NFPA 인화성 | 0 |
| NFPA 반응성 | 0 |
| 관련 화합물 | |
| 다른 음이온 | 갈륨 인화물 갈륨 비소 갈륨 안티모니화물 |
| 다른 양이온 | 질화 붕소 질화 알루미늄 질화 인듐 |
| 다른 화합물 | 알루미늄 갈륨 비소 인듐 갈륨 비소 갈륨 비소 인화물 알루미늄 갈륨 질화물 인듐 갈륨 질화물 |
2. 물리적 성질
GaN(질화갈륨)은 매우 단단한(누프 경도 14.21 GPa[14]) 광대역 반도체 물질로 높은 열용량과 열전도도를 가지고 있다.[15] 순수한 형태에서는 균열에 강하며, 격자 상수 불일치에도 불구하고 사파이어 또는 탄화규소 위에 박막으로 증착될 수 있다.[15] GaN은 실리콘(Si) 또는 산소[16]로 n형으로, 마그네슘(Mg)으로 p형으로 도핑될 수 있다.[17][18] 그러나 Si와 Mg 원자는 GaN 결정의 성장 방식을 변화시켜 인장 응력을 유발하고, 결정을 취성으로 만든다.[19] 질화갈륨 화합물은 또한 일반적으로 제곱센티미터당 108~1010개의 결함 수준의 높은 전위 밀도를 갖는 경향이 있다.[20]
(주)미 육군 연구소(ARL)는 1999년 GaN에서 고전계 전자 속도에 대한 최초의 측정 결과를 제시했다.[21] ARL 과학자들은 실험적으로 의 피크 정상 상태 속도를 얻었으며, 225 kV/cm의 전기장에서 2.5피코초의 통과 시간을 얻었다. 이 정보를 통해 전자 이동도를 계산하여 GaN 소자 설계를 위한 데이터를 제공했다.
GaN은 다른 반도체와 비교하여 열전도율이 높아 방열성이 우수하고, 고온에서도 동작이 가능하며, 절연 파괴 전압이 높다는 장점을 가지므로, 반도체 디바이스로서의 응용이 크게 기대되고 있다.
2. 1. 결정 구조
질화 갈륨은 섬아연석 구조와 융상석 구조 두 가지 결정 구조를 가질 수 있지만, 융상석 구조가 에너지적으로 안정하여 일반적으로 사용된다. 융상석 구조의 격자 상수는 a축이 3.18 Å, c축이 5.17 Å이다.2. 2. 전자적 성질
밴드갭은 실온에서 약 3.4 eV이며, 파장으로는 약 365 nm에 해당하여 자외선 영역의 광원이 된다.[14] 인듐(In)을 첨가하여 InGaN 결정으로 만들면 자주색, 청색 광원으로 사용할 수 있다. 발광 다이오드에 의한 빛의 삼원색 중 하나로 교통 신호등이나 디스플레이에 사용된다.[14]GaN은 전자의 포화 속도가 크고, 절연 파괴 전압이 높아[14] 고출력, 고주파 소자에 적합하다.
3. 화학적 성질
질화갈륨은 화학적으로 매우 안정한 물질이며, 일반적인 산(염산, 황산, 질산 등)이나 염기에는 녹지 않지만, 자외선을 조사하면 강알칼리에 용해된다.
반도체 제조 공정에서 에칭 과정에서는 반응성 이온 에칭(RIE)에 의한 드라이 에칭을 수행한다.
4. 개발 역사
1932년 조지 허버트 존스 연구소에서 초기 질화갈륨 합성이 이루어졌다.[22] 1938년에는 로버트 주자와 해리 한이 질화갈륨을 합성했다.[23]
1980년대 전반에는 셀레늄화 아연(ZnSe)과 GaN이 청색 계열 발광 다이오드(LED)의 재료 후보였으나, GaN은 격자 상수와 열팽창 계수가 GaN에 가까운 기판이 존재하지 않아 양질의 결정을 얻기 어려워 큰 연구 진척을 보지 못했다.[70]
1986년, 아마노 히로시가 사파이어 기판에 완충층을 도입하여 GaN 단결정 박막을 얻는 데 성공했다.[24][70] 1989년, 아카사키 이사무와 아마노 히로시는 Mg(마그네슘) 도핑과 전자선 조사를 통해 p형 GaN을 얻고, pn 접합 청색 LED를 구현했다.[70]
1992년, 나카무라 슈지는 수소 열처리를 통해 p형 GaN을 얻는 방법을 발견하고,[70] 이후 InGaN(인듐-갈륨-질소)을 사용하여 청색 LED를 상용화했다.
고품질 GaN은 p형 GaN,[17] p-n 접합 청색/자외선 LED,[17] 상온 자극 방출[25](레이저 작동에 필수적)[26]의 발견으로 이어져 고성능 청색 LED와 장수명 자외선 레이저 다이오드의 상용화와 질화물 기반 소자 개발의 길을 열었다.
2014년, 청색 LED 개발 공로로 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지 3인이 노벨 물리학상을 수상했다.[70]
5. 응용 분야
질화 갈륨(GaN)은 LED, 트랜지스터, 전력 IC, 레이더 등 다양한 분야에 응용되는 유망한 물질이다.
GaN 기반 고휘도 LED는 풀 컬러 LED 디스플레이, 백색 LED, 청색 레이저 등에 활용된다. GaN 트랜지스터는 고주파, 고전압, 고온, 고효율 특성을 바탕으로 전력 증폭기, 고전압 스위칭 소자, 전자레인지 마이크로파 소스 등에 사용된다.
탈레스 그룹, 미국 육군, 록히드 마틴, 사브 등 여러 기업과 기관에서 GaN 기술을 활용한 레이더 시스템을 개발하거나 실전 배치하고 있다.
이 외에도 GaN은 스핀트로닉스 물질로도 연구되고 있다.[27]
5. 1. LED 및 레이저
GaN 기반 고휘도 LED는 주광 가시성 풀 컬러 LED 디스플레이, 백색 LED 및 청색 레이저 장치와 같은 응용 분야를 가능하게 했다. 최초의 GaN 기반 고휘도 LED는 금속유기 화학기상증착법(MOVPE)을 통해 사파이어에 증착된 GaN 박막을 사용했다.[27] 3족 질화물 반도체는 일반적으로 가시광선 단파장 및 UV 영역에서 광학 장치를 제작하는 데 가장 유망한 반도체 계열 중 하나로 인정받고 있다.GaN 기반의 보라색 레이저 다이오드는 블루레이 디스크를 읽는 데 사용된다. 인듐(In) (InGaN) 또는 알루미늄(Al) (AlGaN)과 GaN의 혼합물은 In 또는 Al과 GaN의 비율에 따라 밴드갭이 달라지므로, 적색에서 자외선까지 다양한 색상을 내는 발광 다이오드(LED)를 제조할 수 있다.[27]
밴드갭은 실온에서 약 3.4 eV이며, 파장으로는 약 365 nm에 해당하여 자외선 영역의 광원이 된다. 미량의 인듐(In)을 첨가하여 InGaN 결정으로 만들면 자주색, 청색 광원으로 사용할 수 있다. 발광 다이오드에 의한 빛의 삼원색 중 하나로 교통 신호등이나 디스플레이에 사용된다.
5. 2. 트랜지스터 및 전력 IC
GaN 트랜지스터는 항복 전압이 높고, 전자 이동도와 포화 속도가 높아 존슨의 성능 지수가 높다. 따라서 고출력, 고온 마이크로웨이브 응용 분야에 이상적인 후보 물질이다.[28] GaN 기반 고출력/고주파 소자의 잠재적 시장에는 고속 무선 데이터 전송에 사용되는 마이크로파 무선 주파수 전력 증폭기와 전력망용 고전압 스위칭 소자 등이 있다. GaN 기반 RF 트랜지스터의 잠재적인 대량 시장 응용 분야는 현재 사용되고 있는 마그네트론을 대체하는 전자레인지용 마이크로파 소스이다. 넓은 밴드갭 덕분에 GaN 트랜지스터는 실리콘 트랜지스터(~150 °C[29])보다 더 높은 온도(~400 °C[29])에서도 성능이 유지된다. 이는 모든 반도체에 내재된 열에 의한 전하 운반자 생성의 영향을 줄이기 때문이다.[29]2010년, 최초의 강화형 GaN 트랜지스터가 상용화되었다.[31] 이 소자들은 스위칭 속도 또는 전력 변환 효율이 중요한 응용 분야에서 전력 MOSFET을 대체하도록 설계되었다. 이 트랜지스터는 표준 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 GaN 층을 성장시켜 제작되며, 제조업체들은 이를 ''GaN-on-Si''라고 부른다.[32]
GaN 전력 IC는 GaN FET, GaN 기반 구동 회로 및 회로 보호 기능을 단일 표면 실장 소자에 통합한다.[34] [35] 저전압 GaN 전력 IC 연구는 홍콩과학기술대학교(HKUST)에서 시작되었으며, 최초의 소자는 2015년에 시연되었다. 상용 GaN 전력 IC 생산은 2018년에 시작되었다.
GaN 트랜지스터는 고주파, 고전압, 고온 및 고효율 애플리케이션에 적합하다.[37][38] GaN은 전류 전달 효율이 높아 열 손실이 적다.[39]
GaN 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)는 2006년부터 상용화되었으며, 높은 효율과 고전압 동작 특성으로 인해 다양한 무선 인프라 애플리케이션에 사용된다.
GaN 기반 MOSFET 및 MESFET는 고전력 전자 장치, 특히 자동차 및 전기 자동차 애플리케이션에서 손실이 적다는 장점을 제공한다.[41] 2008년부터 이러한 트랜지스터는 실리콘 기판 위에 형성될 수 있다.[41]
통합 GaN 전력 IC는 높은 효율과 고전력 밀도를 통해 휴대용 및 노트북 충전기, 가전 제품, 컴퓨팅 장비, 전기 자동차 등에서 크기, 무게, 부품 수를 줄일 수 있다.
GaN 기반 전자 장치는 가전 제품뿐만 아니라 전력 송전 사업체에서도 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
AlGaN/GaN 헤테로 구조를 이용한 고주파 디바이스는 GaN의 피에조 효과로 인해 헤테로 계면에 발생하는 고밀도 이차원 전자 가스를 이용할 수 있어 전자 디바이스 응용에 유리하다. 또한, 높은 절연 파괴 내압을 가지므로 손실이 적은 파워 디바이스를 실현할 수 있을 것으로 기대된다.
5. 3. 레이더
GaN 기술은 능동전자주사배열 레이더와 같은 군사용 전자 장비에도 사용된다.[44]탈레스 그룹은 2010년 GaN 기술을 이용한 그라운드 마스터 400 레이더를 선보였다. 2021년 탈레스는 레이더 시스템에 5만 개가 넘는 GaN 송신기를 가동했다.[45]
미국 육군은 록히드 마틴에 자금을 지원하여 AN/TPQ-36 파이어파인더 레이더와 AN/TPQ-37 파이어파인더 레이더를 대체할 AN/TPQ-53 퀵 리액션 레이더 시스템에 GaN 능동 소자 기술을 통합하도록 했다.[46][47] AN/TPQ-53 레이더 시스템은 적의 간접 사격 시스템과 무인 항공 시스템을 탐지, 분류, 추적 및 위치를 파악하도록 설계되었으며, AN/TPQ-36 및 AN/TPQ-37 시스템에 비해 향상된 성능, 기동성, 신뢰성 및 지원성, 낮은 수명주기 비용, 감소된 승무원 규모를 제공한다.[46][48]
록히드 마틴은 2018년에 라트비아와 루마니아에 배치된 TPS-77 다목적 레이더 시스템을 포함하여 GaN 기술을 사용한 다른 전술 운용 레이더를 실전 배치했다.[49] 2019년 록히드 마틴의 파트너인 엘타 시스템은 항공기와 탄도탄 표적을 탐지하고 추적하는 동시에 미사일 요격 또는 방공포병에 대한 사격 통제 안내를 제공할 수 있는 GaN 기반 ELM-2084 다기능 레이더를 개발했다.
2020년 4월 8일, 사브는 사브 JAS 39 그리펜 전투기에 새로운 GaN 설계 능동전자주사배열 X 대역 레이더를 비행 시험했다.[50] 사브는 이미 지라프 레이더, 에리아이, 글로벌아이 및 아렉시스 전자전 시스템(Arexis EW)과 같이 GaN 기반 레이더를 사용한 제품을 제공하고 있으며,[51][52][53][54] AN/TPS-80 지상/공중 임무 지향 레이더에 대한 주요 하위 시스템, 어셈블리 및 소프트웨어도 제공한다.[55]
인도의 방위연구개발기구는 GaN 기술을 기반으로 수호이 Su-30MKI를 위한 비루파악샤 레이더를 개발하고 있다. 이 레이더는 갈륨비소 기술을 사용하는 HAL 테자스에 사용되는 우탐 AESA 레이더의 추가 개발이다.[56][57][58]
5. 4. 기타 응용
GaN 나노튜브와 나노와이어는 나노미터 수준의 전자공학, 광전자공학 및 생화학 센싱 응용 분야에 사용될 것으로 제안되었다.[59][60] 전이 금속 중 하나인 망간과 같은 적절한 물질로 도핑된 GaN은 유망한 스핀트로닉스 물질(즉, 자성 반도체)이다.[27]6. 합성 방법
질화 갈륨(GaN) 결정은 750°C에서 100기압의 질소(N₂) 하에서 용융된 나트륨/갈륨(Na/Ga) 용액으로부터 성장시킬 수 있다. 갈륨은 1000°C 이하에서는 질소(N₂)와 반응하지 않으므로, 분말은 일반적으로 다음과 같은 반응을 통해 더 반응성이 높은 물질로부터 만들어진다.[61][62]
질화갈륨은 일반적인 대기압에서 900°C~980°C의 용융 갈륨에 암모니아 가스를 주입하여 합성할 수도 있다.[63]
6. 1. 벌크 기판
GaN영어(질화 갈륨) 결정은 750°C에서 100기압의 질소(N₂) 하에서 용융된 나트륨/갈륨(Na/Ga) 용액으로부터 성장시킬 수 있다. 갈륨은 1000°C 이하에서는 질소(N₂)와 반응하지 않으므로, 분말은 일반적으로 다음과 같은 반응을 통해 더 반응성이 높은 물질로부터 만들어진다.[61][62]질화갈륨은 또한 일반적인 대기압에서 900°C~980°C의 용융 갈륨에 암모니아 가스를 주입하여 합성할 수 있다.[63]
6. 2. 박막 성장
파란색, 흰색, 자외선 LED는 MOVPE를 이용하여 산업 규모로 성장시킨다.[64][65] 전구체는 암모니아와 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨이며, 운반 기체는 질소 또는 수소이다. 성장 온도는 800°C에서 1100°C 범위이다. 양자 우물 및 기타 종류의 이종구조를 성장시키려면 트리메틸알루미늄 및/또는 트리메틸인듐을 도입해야 한다.상업적으로, GaN 결정은 분자선 에피택시 또는 유기금속 화학기상증착법을 사용하여 성장시킬 수 있다. 이 과정은 전위 밀도를 줄이도록 추가로 수정될 수 있다. 먼저, 나노미터 크기의 거칠기를 생성하기 위해 이온 빔을 성장 표면에 적용한다. 그런 다음 표면을 연마한다. 이 과정은 진공 상태에서 이루어진다. 연마 방법은 일반적으로 웨이퍼에서 얇은 산화물 층을 기계적으로 제거하기 위해 액체 전해질과 UV 조사를 사용한다. 최근에는 용매가 없고 연마 전에 방사선이 필요 없는 고체 고분자 전해질을 활용하는 방법이 개발되었다.[66]
7. 안전성
GaN 분진은 피부, 눈, 폐에 자극을 줄 수 있다. 2004년 검토 보고서에서는 질화갈륨 공급원(트리메틸갈륨, 암모니아)의 환경, 건강 및 안전 측면과 MOVPE 공급원에 대한 산업위생 모니터링 연구 결과가 보고되었다.[67]
벌크 GaN은 무독성이며 생체적합성이 있다.[68] 따라서 생체 내 이식물의 전극 및 전자 장치에 사용될 수 있다.
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