김윤석 학생 (지도교수 이철호), ‘원자 수준으로 얇은 LED·레이저’를 위한 2차원 반도체 양자구조 개발
세계적 학술지 Science Advances에 논문 발표
고려대학교 KU-KIST융합대학원 이철호 교수 연구팀 (김윤석 석·박사 통합과정)은 서울대 재료공학부 이관형 교수팀과 공동 연구를 통해, 차세대 반도체로 주목받고 있는 2차원 전이금속 칼코게나이드 기반 다중 양자우물 구조를 제조하여 향후 원자 수준의 두께를 가지는 고효율 LED·레이저 구현을 위한 원천기술을 개발하였다.
본 연구팀은 차세대 고효율 발광소자 및 양자광원 후보 소재로 각광받고 있는 2차원 반도체 물질인 층상구조 텅스텐 다이셀레나이드(WSe2)를 이용, 단층 산화공정을 통한 모노리식 밴드갭 제어기술을 개발하여 원자 두께의 양자장벽층 (WOX)과 양자우물층 (WSe2)간의 이종접합을 한 물질 내에서 구현하였다. 또한, 이 접합구조가 주기적으로 반복된 다중 양자우물 구조에서 양자우물*의 수가 증가함에 따라 발광효율이 향상됨을 확인했다. 특히, 삼중 양자우물 구조에서 단일 양자우물 대비 발광강도가 5배 향상됨을 확인을 통해 원자 두께를 가지는 양자우물 구조에서 엑시톤의 강한 구속효과와 빠른 재결합 거동을 실험적으로 증명했다.
*양자 우물: 밴드갭의 크기가 상대적으로 큰 반도체와 작은 반도체를 연속적으로 교대하여 형성된 이종접합 구조 중 하나임. 이 구조 내 양자우물층에 전자와 정공을 효과적으로 가두어 엑시톤 (전자-정공 결합 쌍) 구속효과를 극대화시켜, LED나 레이저 등과 같은 소자의 발광효율을 높이는데 사용됨
기존의 층상구조 2차원 반도체의 경우 발광 활성층의 부피를 증가시키기 위해 물질의 층수를 늘리면 밴드구조가 직접천이형에서 간접천이형으로 바뀌어 발광효율이 원천적으로 저하되는 문제와 더불어 2차원 반도체에 양자장벽층으로 쓰일 수 있는 적합한 물질이 없는 어려움이 존재했다. 본 연구팀은 이를 해결하기 위해 2차원 반도체의 단층 산화공정을 통해 한 물질 내에서 양자 우물층과 장벽층을 동시에 형성하여 이상적인 계면을 갖는 양자우물 구조를 구현할 수 있는 새로운 ‘모노리식 밴드갭 제어 방법론’을 제시하였다. 이를 통해 여러 개의 단일층을 발광 성능 저하 없이 활성층으로 이용함으로써 2차원 반도체 기반 고효율 발광소자 개발의 한계점을 돌파했다는 점에서 학문기〮술적 의의가 있다. 이 연구 결과는 고효율 양자 발광소자뿐만 아니라 투명하고 유연한 형태의 초박막 광전자소자 개발을 가능케 하여, 향후 광전자회로, 디스플레이, 모바일/웨어러블 전자기기 등 기술·산업적 파급효과가 클 것으로 기대된다.
본 연구는 향후 2차원 반도체 기반 양자구조 구현에 있어 기술적 한계 극복하고 차세대 고효율 발광소자로써 새로운 응용 가능성을 제시한 점을 높이 인정받아, 세계적 학술지 Science의 자매지인 Science Advances (Impact Factor: 13.16)에 3월 26일자로 게재되었으며, 삼성전자 미래기술 육성센터 (SRFC-MA1502-12), 한국연구재단 (NRF-2017R1A5A1014862 (SRC Program: vdWMRC Center), 2020R1A2C2009389), KU-KIST School 사업의 지원 아래 수행되었다.
본 연구는 고려대학교 KU-KIST 융합대학원의 이철호 교수 (김윤석 석·박사통합과정) 연구팀 주도하에 서울대학교 재료공학부 이관형 교수 (강소정 석·박사통합과정) 연구팀과의 긴밀한 협력연구를 통해 진행이 되었으며, 박홍규 교수 (고려대), 정후영 교수 (울산과학기술원), 정현식 교수 (서강대), 박진우 교수 (연세대)가 공동연구에 참여했다.
▶논문명: Atomic layer–confined multiple quantum wells enabled by monolithic bandgap engineering of transition metal dichalcogenide, Sci, Adv. 7, eabd7921
▶저자 정보: 김윤석 (고려대학교, 제1저자), 강소정 (연세대학교, 공동 제1저자), 박진우 교수 (연세대학교 공동저자), 정현식 교수 (서강대학교 공동저자), 정후영 교수 (UNIST, 공동저자), 박홍규 교수 (고려대학교, 공동저자), 이관형 교수 (서울대학교 공동교신저자), 이철호 교수 (고려대학교, 교신저자) 포함 총 16명