인화갈륨 차세대 화합물 반도체 분야 활용 가능성 열렸다

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황화아연(ZnS)을 기반으로 한 단층의 인화갈륨(GaP)과 발광 효율 결과. 정연식 교수

신규 발광소재 합성 전략을 통해 중요 반도체 소재인 '인화갈륨(GaP)'의 발광 효율을 확보했다. 발광 효율이 떨어져 활용이 힘들었던 GaP의 발광다이오드(LED), 디스플레이 반도체 사용 가능성이 열렸다.

한국연구재단은 정연식 한국과학기술원(KAIST) 교수, 김동훈 한국과학기술연구원(KIST) 박사, 최민재 동국대 교수 공동연구팀이 GaP 직접 전이 밴드갭을 구현했다고 21일 밝혔다.

GaP는 차세대 화합물 반도체 분야와 고효율 발광 소재로 잠재력이 높은 소재지만, 전자가 간접적인 경로를 통해 에너지 레벨을 바꾸는 간접 전이 밴드갭 구조로 인해 발광 소재로는 활용도가 낮았다.

공동연구팀은 일반적인 초미세 반도체 입자(퀀텀닷)와는 다른 접근을 통해 GaP의 직접 전이 밴드갭 전환을 구현해 냈다.

GaP와 결정 구조와 크기가 거의 같으면서 GaP에 의한 발광을 방해하지 않을 물질로 황화아연(ZnS)을 선정했다.

특히 퀀텀닷과 다른 에너지 구조를 갖는 퀀텀셸(얇은 껍질) 형태로 매우 얇은 GaP 반도체 입자를 합성했다.

이 합성 방식은 반도체 분야에서 사용되는 원자층증착법과 에피텍셜 성장(기존 물질 결정성을 반영해 기존 물질 표면에 원하는 물질을 성장시키는 방법) 원리를 콜로이달 합성에 접목한 것으로, ZnS 나노결정 위에 단일원자층 GaP를 성장시켜 퀀텀셸을 만들었다.

이를 통해 GaP의 직접 밴드갭 전환이 가능해졌고, 그 결과 45.4%의 높은 효율로 보라색 빛을 강하게 방출하는 특성을 확인했다.

또 별도 보호층 없이도 200일 이상 발광 효율 감소 없이 우수한 성능이 유지되는 높은 안정성을 보였다.

정연식 교수는 “이번 연구는 이종 소재 간 상호작용을 통한 발광소재 합성 전략을 새롭게 제시한 것”이라며 “차세대 화합물 반도체 분야 및 광전자, 광학 분야에서 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.


이인희 기자 leeih@etnews.com

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