두 가지 파장의 적외선을 칩 하나로 동시에 구현하는 다기능 발광다이오드(LED)가 개발됐다.
한국연구재단은 한국표준과학연구원(KRISS) 이상준 박사팀이 미국 스탠퍼드대, 독일 헬름홀츠연구소와 공동연구로 화합물 반도체의 내부 원자 배열을 정밀하게 제어해 단일 칩으로 단파장과 중파장 적외선을 동시 방출하는 LED를 개발했다고 3일 밝혔다.
적외선은 눈에 보이지 않지만 열을 감지하거나 정보를 전달한다.
기존 적외선 LED는 서로 다른 파장의 빛을 내는 반도체 물질을 한데 쌓으면 원자 크기가 달라 서로 어긋나는 격자 불일치 현상 때문에 한 종류의 파장만 낸다.
이는 크기가 다른 레고 블록을 억지로 끼워맞추면 틈이 벌어지거나 깨지는 것과 비슷하다.
이런 결함은 양자 효율을 떨어뜨리고, 반도체 소재의 균열을 유발하는 등 LED의 효율을 저하시킨다.
때문에 1~3㎛ 단파장과 3~5㎛ 중파장 적외선 대역에서 동시에 발광하는 단일 집적형 다중 대역 LED를 개발하는 것은 학계의 과제였다.
연구팀은 반도체 원재료인 인듐-비소-안티모니(InAsSb) 소재에 아주 적은 양 안티모니를 주입해 원자 결합 각도를 약 1도(±1°) 바꾸고 결합 길이는 4% 정도 늘려 원자들 사이 응력을 상쇄했다.
인듐-비소-안티모니(InAsSb) 소재는 인듐(In), 비소(As), 안티모니(Sb)로 구성된 3원계 화합물 반도체로, 비소와 안티모니의 비율을 조절하여 밴드갭 에너지를 매우 낮게 만들 수 있다.
이에 따라 원자배열 뒤틀림이 완화돼 단일 칩에서도 단파장과 중파장 적외선을 동시에 안정적으로 방출했다.
연구팀은 다중 양자우물 LED의 동시발광 원리를 원자 분해능 투과전자현미경과 AI 기반 인공 신경망 전위 계산을 통해 분석했다. 다중 양자우물(MQW) 구조는 서로 다른 밴드갭을 가진 얇은 반도체 층들을 교대로 쌓아 올려 전자와 정공을 특정 영역에 가두는 나노 구조다.
그 결과 다중 양자 우물 내 안티모니 도핑으로 원자 결합 각도와 길이를 미세하게 조정, 국소 응력 에너지를 낮추고 격자 뒤틀림이 완화되는 효과를 확인했다. 안티모니 도핑은 반도체 원재료인 실리콘 격자에 5족 원소인 안티모니를 미세하게 주입해 전기적 특성을 조절하는 공정이다.
이를 통해 양자구속 효과가 강화되면서 단일 LED에서 단파장과 중파장 적외선의 동시 발광이 가능하다는 사실을 규명했다.
이번 연구는 하나의 LED에서 복수 파장 방출이 가능해짐에 따라 장비 소형화, 에너지 효율성 향상, 비용절감은 물론 고품질 화합물 반도체 개발로 차세대 고성능 광전자기기 분야에 새로운 가능성을 제시했다는 평가를 받는다.
전병선 KRISS 책임연구원은 “이번 성과는 원자 배열을 나노 단위에서 정밀하게 설계해 서로 다른 성질의 적외선을 단일 칩에 통합한 첫 사례”라며 “향후 자율주행 라이다, 바이오 진단기기 등의 소형화와 정밀도를 동시에 높이는 핵심 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 설명했다.
한편, 이번 연구성과는 지난달 13일 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 게재됐다.
(논문명: Strain-Engineered Monolithic Multi-Band LEDs for Simultaneous Short-Wavelength and Mid- Wavelength Infrared Emission / 저자- 이인호 박사(교신저자/KRISS), 전병선 박사(교신저자/KRISS),
이상준 박사(교신저자/KRISS), 정희준 박사(제1저자/KRISS))
