"균일·대량생산 가능성 높여"…UNIST, 2차원 반도체 LED 제조 성공

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 국내 연구진이 원자 몇 층 두께의 2차원 반도체를 기판 위에서 직접 성장시켜 LED 소자를 구현하는 데 성공했다. 별도로 합성한 반도체 박막을 떼어내 옮기는 기존 전사(transfer) 공정을 없애면서 차세대 광소자와 양자광원으로 주목받는 2차원 반도체 LED의 대량 생산 가능성을 높였다는 평가다.

울산과학기술원(UNIST)는 물리학과 정건욱 연구팀이 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 발광층으로 활용한 LED 소자를 전사 과정 없이 제조하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.

이황화몰리브덴은 원자 단위 두께에서도 가시광선 영역의 빛을 낼 수 있는 대표적인 2차원 반도체 소재로, 차세대 광소자와 양자광원 분야에서 주목받고 있다.

다만 기존에는 얇은 반도체 박막을 따로 합성한 뒤 기판으로 옮겨 붙이는 공정이 필요해 균일한 대면적 소자 생산에 한계가 있었다. 이 과정에서 오염이나 미세한 틈이 발생하기 쉽고, 소재 크기와 형태가 일정하지 않다는 문제도 있었다.

연구팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해 소자 구조와 공정 순서를 새롭게 설계했다. p형 질화갈륨(GaN) 기판 위에 이황화몰리브덴 발광층을 직접 성장시키고, 그 위에 n형 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직으로 형성하는 구조다. 세 물질 모두 육각형 결정 구조를 가져 층간 정합성이 높고, 균일한 단결정 적층 구조를 구현하는 데 유리하다는 설명이다.

특히 열에 민감한 이황화몰리브덴 손상을 막기 위해 고온 공정이 필요한 질화갈륨을 먼저 증착하는 방식으로 공정을 설계했다. 연구팀은 이를 통해 구조적 안정성과 광학적 특성을 모두 갖춘 고품질 LED 소자를 제작할 수 있었다고 설명했다.

실제 전류를 흘린 결과 이황화몰리브덴 발광층에서는 붉은빛 발광이 관측됐으며 630㎚와 705㎚ 영역의 두 발광 신호도 뚜렷하게 확인됐다. 연구팀은 이 결과가 일반적인 LED를 넘어 스핀-궤도 결합 현상을 활용하는 양자광원 소자로의 확장 가능성을 보여준다고 평가했다.

정건욱 교수는 "2차원 반도체 LED가 연구실 수준에 머물렀던 주요 원인 중 하나가 박막 전사 공정의 불균일성이었다"며 "이번 연구는 발광층을 기판 위에서 직접 성장시켜 기존 반도체 공정처럼 균일한 적층 구조 구현이 가능하다는 점을 보여준 사례"라고 말했다.

이어 "향후 소자 효율을 더욱 높여 질화갈륨 기반 LED 공정과 결합하면 붉은색 화소나 양자광원 소자로 발전시킬 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters)의 부표지(Supplementary Cover) 논문으로 선정돼 지난달 21일 온라인 공개됐다.


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