정건욱 UNIST 교수팀, 무전사 LED 소자 제조 성공
정건욱 UNIST 물리학과 교수팀이 이황화몰리브덴을 발광층으로 사용한 2차원 반도체 LED소자를 전사(transfer) 과정 없이 제조하는 데 성공했다. 이황화몰리브덴은 원자 몇 층 두께에서도 가시광 영역의 빛이 나오는 2차원 반도체 소재다.
정 교수팀은 원자 몇 층 두께의 이황화몰리브덴 발광층을 기판 위에서 바로 자라게 해 발광 LED소자를 만들었다. 재료를 떼어내 기판에 옮겨 붙이는 전사 과정이 필요 없어 2차원 LED소자를 대량 제작할 수 있다.
기존 전사 과정은 반도체 조각의 크기와 모양이 일정하지 않거나 오염, 기판과 반도체 사이에 빈틈이 발생하기 쉬워 균일한 대량 제작을 어렵게 했다.
정 교수팀은 소자 구성 물질과 공정 순서를 새로 설계해 이러한 전사 과정을 없앴다.
LED소자는 p형 반도체와 n형 반도체 사이에 발광층 반도체를 넣어 만든다. 정 교수팀은 소자 구성에서 p형 질화갈륨(GaN) 위에 이황화몰리브덴 발광층을 직접 성장시키고, 그 위에 n형 산화아연(ZnO) 나노막대가 수직으로 자라도록 설계했다. 세 물질 모두 육각형 결정 구조를 갖고 있어 질화갈륨 위에서 이황화몰리브덴 박막이 직접 성장하고, 이황화몰리브덴 위에서 산화아연이 층을 이루며 형성된다.
공정 순서로는 열에 민감한 이황화몰리브덴이 손상되지 않도록 고온 공정이 필요한 질화갈륨을 가장 먼저 증착시켰다.
시험 결과, 개발 소자는 2차원 반도체 LED에 필요한 구조·광학적 조건을 모두 갖춘 것으로 나타났다. 전류를 흘려보내자 이황화몰리브덴 발광층에서 붉은빛이 나왔고 630nm와 705nm 두 발광 신호가 명확히 확인됐다. 일반 LED를 넘어 스핀-궤도 결합이라는 양자 현상을 활용한 양자광원 소자로의 활용 잠재력을 갖췄다.
정건욱 교수는 “발광층을 기판 위에 직접 자라게 해 2차원 반도체 LED도 기존 반도체 공정처럼 균일한 적층 구조를 만들 수 있다는 것을 확인한 연구”라며 “소자 효율을 더 높여 질화갈륨 기반 LED 공정과 결합하면 붉은색 화소나 양자광원 소자로 발전시킬 수 있을 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
