3족-질화물 반도체 기반의 나노와이어 공진 구조체 기술
[베리타스알파=김하연 기자] 국립금오공과대(총장 김상호) 엄대영 교수(첨단산업융합학부 반도체공학전공)가 전북대(총장 양오봉) 라용호 교수(신소재공학부 정보소재공학전공)와의 공동연구를 통해 '상온에서 저임계 레이저 발진이 가능한 3족-질화물(InGaN/GaN) 반도체 기반의 나노와이어(nanowire) 공진 구조체를 개발'하는 데 성공했다.
연구팀은 기존의 박막 구조체보다 광/전기적 특성이 월등히 우수한 '나노와이어 구조체'를 이용해, 마이크로-LED 광원을 대체할 수 있는 '초소형 나노-레이저 광원 기술'을 제시한 논문으로 세계 학계의 주목을 받고 있다. 이 기술은 VR(가상현실), AR(증강현실), XR(확장현실) 등 메타버스용 차세대 마이크로-디스플레이 및 AI 산업 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
발광소자용 반도체 소재 가운데 3족-질화물 반도체*는 넓은 가변 발광 파장대역을 구현하는 특성 덕분에 핵심 발광소재로 꾸준히 주목받아 왔다. 그러나 일반적으로 사용되는 박막 구조 기반(thin-film structure)의 3족-질화물 반도체는 높은 결정 결함 밀도와 제한적인 광 이득 공진 구조**로 인해 저전력에서 구동이 가능한 초소형 레이저 광원을 구현하는 데 한계가 존재했다.
* 3족-질화물 반도체: Al(알루미늄), Ga(갈륨), In(인듐)의 3족 원소와 질소가 결합한 반도체, 조성 조절을 통해 자외선부터 가시광, 적외선 영역에 이르는 다양한 빛을 만들 수 있는 발광소자의 핵심소재다.
** 광 이득 공진 구조: 레이저가 만들어지기 위해 필요한 구조로 빛의 세기를 증폭(광 이득)하고, 계속 왕복시키는(공진) 구조
연구팀은 이러한 기술적 한계를 극복하기 위해 반도체 박막을 성장시키는 대표적인 공정인 MOCVD 공정***을 이용해 '독자적인 에피택시 성장 공정 기술'을 개발함으로써 n-Si 기판 상에 고품위의 n-GaN 나노와이어 구조체를 성장시켰다. 또한 해당 나노와이어 구조체의 무분극(non-polar) 표면인 측면 영역에 발광 활성층인 InGaN/GaN 다중양자우물(MQW) 구조층과 p-GaN 층을 형성해 core-shell 형태의 독특한 나노와이어 광 이득 공진 구조체를 제작했다.
*** MOCVD 공정: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition(금속유기화학기상증착법), 기체 상태의 화학 물질을 반응시켜 기판 위에 반도체 박막을 성장시키는 기술, 3족-질화물 반도체를 성장시키는 데 널리 사용되는 공정
연구팀이 개발한 core-shell 형태의 매우 긴 나노와이어 구조는 기존 박막 구조 대비 훨씬 넓은 발광 활성 표면적을 가진다. 이는 생성된 광자들이 내부에서 효과적으로 공진할 수 있는 구조적 환경을 제공함으로써 향상된 광 이득 특성을 통해 레이저 발진에 매우 유리한 구조적인 장점을 갖는다.
실제 실험 결과, 단일 나노와이어에서 상온 연속파(CW) 조건에서도 낮은 임계에서 매우 안정적인 청색 레이저 발진이 구현됐으며, 높은 색순도와 단일 방향성 방출 특성을 동시에 달성함으로써, 초소형 나노-반도체 기반 고체 레이저 광원 픽셀 기술로서의 가능성을 실험적으로 입증했다. 또한, 시뮬레이션을 통해 해당 나노와이어 구조에서 형성되는 다양한 광 구속 모드 특성과 방열 특성을 분석함으로써 저임계 레이저 발진 원리를 이론적으로도 규명했다.
이번 연구는 기존에 빛을 만들어 내는 장치와 그 원리를 이용해 온 광원 기술 대비 높은 색순도와 뛰어난 단일 방향성을 갖는 나노-레이저 광원 구현 가능성을 제시했다. 이에 향후 초고해상도 근안 디스플레이용(AR안경, VR헤드셋, XR-AI융합솔루션, 스마트 글라스 등) 광원 픽셀 기술뿐만 아니라 차세대 나노-포토닉스 기반 광전자 집적 소자로의 확장 가능성을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.
연구를 주도한 엄대영 교수와 라용호 교수는 "이번 연구 성과는 차세대 VR/AR/XR용 초고집적 나노-레이저 광원 픽셀 구현을 위한 원천기술이자, 차세대 광자-전자 융합 반도체 집적회로(OEIC) 기반의 AI 시스템 구현을 위한 반도체소자 제작의 기반기술이 될 것"이라고 기대감을 전했다.
엄대영 교수(제1저자)와 라용호 교수(교신저자)의 이번 연구 성과는 엘스비어(Elsevier)에서 발행하는 나노과학/에너지 분야의 세계적 권위 학술지인 'Nano Energy(IF: 17.2, JIF 랭킹 5.35% 이내, JCI 랭킹 4% 이내)'에 'Directionally-emitting single-nanowire CW lasing pixel for ultra-high resolution near-eye displays(초고해상도 근안 디스플레이용 방향성 발광 단일 나노와이어 연속파 레이저 픽셀)'라는 제목으로 지난달에 게재됐다. (☞ 논문 바로가기)
한국연구재단(NRF)에서 주관하는 Post-Doc 성장형 공동연구(現연구지원) 사업, 우수신진연구 사업, 나노/소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, G-램프(LAMP)사업의 지원을 통해 수행됐다.
저임계 상온 레이저 발진이 가능한 3족-질화물 반도체 기반 나노와이어 공진기
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