UNIST 정건욱 교수팀, 무전사 이황화몰리브덴 LED 소자 제조 기술 개발

2D 기반 광원 대량 생산 기반 마련

‘Nano Letters’ 부표지 논문 선정

기판 위에서 직접 성장한 2차원 반도체 LED 소자의 구조.ⓒUNIST

국내 연구진이 2차원 반도체를 기판 위에서 바로 자라게 해 빛을 내는 LED 소자를 제조했다. 얇은 2차원 재료를 떼어내 기판에 옮겨 붙이는 과정이 생략되면서 차세대 광소자·양자광원으로 주목받는 2차원 LED 소자를 대량으로 생산할 수 있는 길이 열렸다.

울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 정건욱 교수팀이 2차원 반도체인 이황화몰리브덴을 발광층으로 하는 LED 소자를 전사 과정 없이 제조하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

이황화몰리브덴은 원자 몇 층 두께에서도 가시광 영역의 빛을 낼 수 있는 2차원 반도체로, 차세대 광소자와 양자광원 소재로 주목받는 소재다.

기존 2차원 반도체 LED 소자는 얇은 2차원 반도체 소재를 별도로 합성한 뒤 이를 떼어내 기판에 옮기는 전사 과정을 거쳐 만들어져왔다.

이 과정에서 2차원 반도체 조각의 크기와 모양이 일정하지 않고 오염이나 기판과 2차원 반도체 사이의 빈틈이 발생하기 쉬워 여러 소자를 균일하게 대량으로 제작하기 힘들었다.

연구팀은 이황화몰리브덴을 기판에서 직접 성장시켜 소자를 만들 수 있도록 소자 구성 물질과 공정 순서를 설계해 고품질의 LED 소자를 제조할 수 있었다.

LED 소자는 보통 p형 반도체와 n형 반도체 사이에 발광층 반도체가 들어가는 구조다. 연구팀은 p형 질화갈륨(GaN) 위에 이황화몰리브덴 발광층을 직접 성장시키고, 그 위에 n형 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직으로 자라게 한 소자 구조를 설계했다.

세 물질은 모두 육각형 결정 구조를 갖고 있어 질화갈륨 위에서 이황화몰리브덴 박막을 직접 성장시킬 수 있고 이황화몰리브덴 위에 산화아연이 층을 이루며 형성될 수 있다.

또 열에 민감한 이황화몰리브덴이 손상되지 않도록 고온 공정이 필요한 질화갈륨을 가장 먼저 증착시켰다.

이 소자는 2차원 반도체 LED에 필요한 구조적·광학적 조건을 모두 갖춘 것으로 나타났다. 세 물질은 결정 방향이 맞는 단결정 적층 구조를 이뤄 균일한 소자 제작에 유리하다.

또 전류를 흘렸을 때는 이황화몰리브덴 발광층에서 붉은빛이 나타났는데 630㎚와 705㎚의 두 발광 신호가 명확히 확인됐다.

이는 이 소자가 일반적인 LED를 넘어 스핀-궤도 결합이라는 양자 현상을 활용하는 양자광원 소자로도 활용될 수 있는 잠재력을 보여주는 결과다.

정건욱 교수는 “2차원 반도체 LED가 연구실 단위 시연에 머물렀던 이유 중 하나는 얇은 박막을 옮겨 붙이는 공정의 불균일성”이라며 “연구는 발광층을 기판 위에서 직접 자라게 해 2차원 반도체 LED도 기존 반도체 공정처럼 균일한 적층 구조로 만들 수 있음을 보인 사례”라고 설명했다.

이어 “소자 효율을 더 높여 질화갈륨 기반 LED 공정과 결합한다면 붉은색 화소나 양자광원 소자로 발전시킬 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

연구 결과는 국제학술지 ‘나노레터스’(Nano Letters)의 부표지 논문으로 선정돼 지난 4월 21일 온라인 공개됐다.

한편, 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 이뤄졌다.