질화갈륨(GaN) 대신 요오드화 구리(CuI) 1-7족 화합물 반도체를 소재로 사용하여 고효율로 청색광을 발광하는 소자 기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했다.
국내 원천기술개발이어서 해외 의존도 높은 반도체 소재 자립화에 첫걸음을 내디뎠다는 평가다.
한국과학기술연구원(KIST)는 차세대반도체연구소 송진동 책임연구원, 장준연 소장팀과 페타룩스 안도열 대표(서울시립대학교 석좌교수)이 공동연구를 통해 기존 청색광 LED 반도체에 사용했던 질화갈륨을 대체 할 수 있는 새로운 화합물 반도체 기술개발에 성공했다고 8일 밝혔다.
연구진이 개발한 새 화합물 반도체는 구리(Cu)와 요오드(I)를 합성한 요오드화 구리(CuI) 1-7족 화합물 반도체를 소재로 사용해 고효율로 청색광을 발광하는 소자다. 이 소재를 이용한 청색광 LED기술은 세계 최초다.
원소주기율표에 1-7족 물질들은 강한 전기적 상호작용으로 인해 원자간 결합강도가 높아 반도체로 사용하기 어렵다는 것이 학계에 정설이었다. 하지만 이번 기술개발로 반도체 소재 기술에 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있다.
CuI 반도체는 저렴한 실리콘(Si) 기판에 적은 결함으로 성장이 가능해 현재 상용화 되어 있는 대면적 실리콘 기판(300mm)을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다고 연구진은 설명했다.
또 CuI 박막 성장온도가 실리콘 기반 CMOS소자 공정에 사용되는 온도(300도 이하)와 유사해 열화없이 CuI 박막을 증착, 저렴하고 손쉬운 실리콘 반도체 공정에 적용이 가능하다.
공동연구진은 CuI 반도체가 질화갈륨기반 소자에 비해 10배 이상 강한 청색광 밝기 및 향상된 광전효율 특성과 장기적 소자 안정성을 가진다는 것을 확인했다고 밝혔다.
이번 연구결과는 고품질 구리할로겐계 단결정 CuI을 실리콘 기판 상에 성장, 고효율의 청색 발광을 구현해 세계 최초로 구리할로겐계 화합물을 이용한 새로운 반도체 소재 기술을 실증했다는 것에 큰 의의가 있다.
공동 연구진은 그간의 연구를 통해 새로운 CuI 반도체 재료의 원천기술을 이미 보유하고 있다.
송진동 KIST 단장은 “기존의 p-형 질화갈륨을 대체해 높은 생산효율의 청색(자외선) 발광에 성공했다”며 “성능개선 연구를 지속적으로 수행할 것”이라고 말했다.
장준연 KIST 소장은 “기존의 LED에 비해 많은 장점을 가지므로 일본이 독점하고 있는 질화갈륨을 대체하는 새로운 발광반도체용 소재로 큰 기대를 모을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
안도열 페타룩스 대표는 “2016년 구리할로겐계 반도체의 우수성에 대한 이론적 예측을 최초로 보고하고 원천기술을 보유하고 있다”며 “이번 연구성과가 새로운 청색 및 자외선 광원으로 상업적 생산이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업인 차세대반도체연구소 플래그십 과제로 진행됐다. 페타룩스는 연구개발비를 투자해 공동연구를 수행했다.
