새로운 청색광 반도체 기술 개발
새로운 청색광 반도체 기술 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.17 23:55
  • 조회수 1106
  • 댓글 0
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요약

 

새로운 청색광 반도체 기술이 개발됐습니다. 연구진은 구리(Cu)와 요오드(I)를 합성한 요오드화 구리(CuI) 1-7족 화합물 반도체를 소재로 사용해 고효율로 청색광을 발광하는 소자 기술을 세계 최초로 개발했습니다. 이는 질화물 반도체를 대체해 고효율 광소자 개발에 활용될 수 있을 것으로 보입니다. 또한 차세대 디스플레이로 각광받는 마이크로 디스플레이에 응용이 가능할 전망입니다. 

 

요오드화 구리(CuI) 화합물반도체를 소재로 사용하여 고효율로 청색광을 발광하는 소자의 모습. 출처: KIST
요오드화 구리(CuI) 화합물반도체를 소재로 사용하여 고효율로 청색광을 발광하는 소자의 모습. 출처: KIST

2014년 에너지절약형 빛 혁명을 이끈 청색광 발광소자(LED) 발명자인 일본 과학자 3명이 노벨 물리학상의 영예를 안았습니다. 반도체를 이용한 LED는 백색광 구현을 위해 적·녹·청색의 LED가 필요합니다. 이중 가장 늦게 개발된 청색광 LED는 1990년대 일본의 과학자들에 의해 질화갈륨(GaN)을 고품질로 만드는 기법을 개발, 상용화에 성공했습니다. 질화갈륨은 전등 뿐 아니라 스마트폰, 디스플레이, 전자제품 및 고주파장치에 핵심소재로 우리 실생활에 널리 쓰이고 있습니다. 또한 초고속 통신용소자, 자동차용 전력반도체, 그리고 극한에서 사용가능한 극한 환경용 반도체로 그 활용 범위가 급속도로 확대되고 있습니다.


 
한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소 송진동 책임연구원, 장준연 소장팀은 (주)페타룩스 안도열 대표(서울시립대학교 석좌교수)와의 공동 연구를 통해 기존의 청색광 LED 반도체에 사용했던 질화갈륨을 대체 할 수 있는 새로운 화합물 반도체 기술개발에 성공했다고 힙니다. 해당 연구는 <Scientific Reports>에 게재됐습니다.

 

청색광 LED 반도체에 사용했던 질화갈륨을 대체 할 새로운 화합물

 

연구진은 구리(Cu)와 요오드(I)를 합성한 요오드화 구리(CuI) 1-7족 화합물 반도체를 소재로 사용해 고효율로 청색광을 발광하는 소자 기술을 세계 최초로 개발했습니다. 원소주기율표에 1-7족 물질들은 강한 전기적 상호작용으로 인해 원자간 결합 강도가 높아 반도체로 사용하기 어렵다는 것이 학계에 정설이었습니다.

좌-Si과 CuI 반도체의 결정구조. 격자상수가 유사하여 Si기판위에 CuI 박막성장을 저결함으로 성장 할 수 있음. 우- Si기판위에 성장한 CuI 박막의 결정대칭성을 투과전자현미경으로 관찰한 사진. Si에 격자 맞는 CuI 단결정 성장을 확인함. 출처: KIST
좌-Si과 CuI 반도체의 결정구조. 격자상수가 유사하여 Si기판위에 CuI 박막성장을 저결함으로 성장 할 수 있음. 우- Si기판위에 성장한 CuI 박막의 결정대칭성을 투과전자현미경으로 관찰한 사진. Si에 격자 맞는 CuI 단결정 성장을 확인함. 출처: KIST

연구진이 개발한 요오드화 구리(CuI) 반도체는 저렴한 실리콘(Si) 기판에 적은 결함으로 성장이 가능해 현재 상용화 되어 있는 대면적 실리콘 기판(300mm)을 그대로 사용할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 또한 요오드화 구리(CuI) 박막 성장온도가 실리콘 기반 CMOS소자 공정에 사용되는 온도(300도 이하)와 유사하여 열화없이 요오드화 구리(CuI) 박막을 증착, 저렴하고 손쉬운 실리콘 반도체 공정에 적용이 가능합니다.

CuI를 p-형 접합으로 사용한 p-CuI/n-AlGaN UV LED 동작 사진. 출처: KIST
CuI를 p-형 접합으로 사용한 p-CuI/n-AlGaN UV LED 동작 사진. 출처: KIST

공동 연구진은 요오드화 구리(CuI) 반도체가 질화갈륨기반 소자에 비해 10배 이상 강한 청색광 밝기 및 향상된 광전효율 특성과 장기적 소자 안정성을 가진다는 것을 확인했습니다. 이번 연구 결과는 고품질 구리할로겐계 단결정 요오드화 구리(CuI)를 실리콘 기판 상에 성장, 고효율의 청색 발광을 구현해 세계 최초로 구리할로겐계 화합물을 이용한 새로운 반도체 소재 기술을 실증했다는 것에 큰 의의가 있습니다. 공동 연구진은 그간의 연구를 통해 새로운 요오드화 구리(CuI) 반도체 재료의 원천 기술을 이미 보유하고 있습니다.

  • 구리할로겐

원소 주기율상 1족  금속(구리, 은, 금등)중 구리와 원소 주기율표상 7족 할로겐 물질(불소, 염소, 브롬, 요오드등)의 결합 물질. CuI가 포함된 물질계이며 약칭으로 1-7족 물질이라고 불립니다.

KIST 송진동 단장은 "기존의 p-형 질화갈륨을 대체하여 높은 생산 효율의 청색(자외선) 발광에 성공했다"며 "성능 개선 연구를 지속적으로 수행할 것"이라고 말했습니다. KIST 장준연 소장은 "기존의 LED에 비해 많은 장점을 가지므로 일본이 독점하고 있는 질화갈륨을 대체하는 새로운 발광반도체용 소재로 큰 기대를 모을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.

 


## 참고자료##

 

D. Ahn et al., "Intrinsically p-type cuprous iodide semiconductor for hybrid light emitting diodes", Scientific Reports(2020)


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