국내 연구진이 원자 몇 층 두께의 2차원 반도체를 기판 위에서 바로 자라게 해 빛을 내는 LED 소자를 제조하는 데 성공했다. 얇은 2차원 재료를 떼어내 기판에 옮겨 붙이는 과정이 필요 없어지면서, 차세대 광소자 및 양자광원으로 주목받는 2차원 LED 소자를 대량으로 제작할 수 있는 길이 열렸다.

UNIST  반도체소재·부품대학원 정건욱 교수팀은 2차원 반도체인 이황화몰리브덴을 발광층으로 하는 LED 소자를 전사(transfer) 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 nm와 705 nm의 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 “이번 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. 

 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 이뤄졌으며, 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)의 부표지(Supplementary Cover)논문으로 선정돼 4월 21일 온라인 공개됐다.