▲ UNIST 연구진이 개발한 기판 직접 성장 기반 2차원 반도체 LED 소자 구조를 나타낸 모습이다.

국내 연구진이 원자 몇 층 두께의 2차원 반도체를 기판 위에서 직접 성장시켜 LED 소자를 구현하는 데 성공했다. 기존 전사 공정 한계를 극복하며 차세대 광소자와 양자광원의 대면적·균일 생산 가능성을 높일 것으로 기대된다.

UNIST는 물리학과 정건욱 교수 연구팀은 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 발광층으로 활용한 LED 소자를 전사(transfer) 공정 없이 제조하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

이황화몰리브덴은 원자 몇 층 두께에서도 가시광 영역의 빛을 낼 수 있는 대표적인 2차원 반도체 소재로 차세대 광소자와 양자광원 분야에서 주목받고 있다.

기존 2차원 반도체 LED는 얇은 반도체 박막을 별도로 합성한 뒤 기판에 옮겨 붙이는 전사 공정을 거쳐 제작됐다. 하지만 이 과정에서 소재 크기와 형상이 일정하지 않고 오염이나 기판 사이 빈틈이 발생하기 쉬워 균일한 대량 생산에 한계가 있었다.

연구팀은 이황화몰리브덴을 기판 위에서 직접 성장시키는 방식으로 공정 구조를 새롭게 설계해 고품질의 LED 소자를 구현했다. 연구팀은 p형 질화갈륨(GaN) 위에 이황화몰리브덴 발광층을 직접 성장시키고, 그 위에 n형 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직 성장시키는 구조를 적용했다.

세 물질 모두 육각형 결정 구조를 가져 층간 정합성이 우수하며 균일한 적층 구조 형성이 가능하다는 설명이다. 또한 열에 민감한 이황화몰리브덴 손상을 최소화하기 위해 고온 공정이 필요한 질화갈륨을 가장 먼저 증착하는 방식으로 공정 순서를 최적화했다.

개발된 소자는 구조적·광학적 특성 모두에서 우수한 성능을 나타냈다. 특히 전류를 흘렸을 때 이황화몰리브덴 발광층에서 붉은빛이 구현됐으며, 630nm와 705nm 파장의 두 발광 신호가 명확하게 확인됐다. 이는 해당 소자가 일반 LED를 넘어 스핀-궤도 결합 기반 양자광원 소자로 활용될 수 있는 잠재력을 보여주는 결과다.

정건욱 UNIST 교수는 “2차원 반도체 LED가 연구실 수준 시연에 머물렀던 주요 원인 중 하나는 얇은 박막을 옮겨 붙이는 과정의 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 높이고 질화갈륨 기반 LED 공정과 결합한다면 붉은색 화소와 양자광원 소자로 발전시킬 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단과 산업통상자원부 산하 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)의 부표지(Supplementary Cover)논문으로 선정돼 4월 21일 온라인 공개됐다