【브레이크뉴스 구미】이성현 기자=국립금오공과대학교 엄대영 교수 연구팀이 상온에서 저임계 레이저 발진이 가능한 나노와이어 기반 반도체 구조를 개발하는 데 성공했다.
 ▲ 저임계 상온 레이저 발진이 가능한 3족-질화물 반도체 기반 나노와이어 공진기 © 금오공대 |
국립금오공과대학교(총장 김상호)는 첨단산업융합학부 반도체공학전공 엄대영 교수가 전북대학교(총장 양오봉) 신소재공학부 정보소재공학전공 라용호 교수와의 공동연구를 통해 ‘3족-질화물(InGaN/GaN) 반도체 기반 나노와이어 공진 구조체’를 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 기존 박막 구조체보다 광·전기적 특성이 우수한 나노와이어 구조체를 활용해 마이크로 LED 광원을 대체할 수 있는 ‘초소형 나노-레이저 광원 기술’을 제시해 학계의 주목을 받고 있다. 해당 기술은 가상현실(VR), 증강현실(AR), 확장현실(XR) 등 메타버스용 차세대 마이크로 디스플레이와 인공지능(AI) 산업 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
3족-질화물 반도체는 알루미늄, 갈륨, 인듐 등 3족 원소와 질소가 결합한 소재로 자외선부터 가시광, 적외선 영역까지 다양한 파장의 빛을 구현할 수 있어 발광소자 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존 박막 구조 기반 반도체는 높은 결정 결함 밀도와 제한적인 광 이득 공진 구조로 인해 저전력 구동이 가능한 초소형 레이저 광원 구현에 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 공정을 활용한 독자적인 에피택시 성장 기술을 개발해 실리콘 기판 위에 고품질 갈륨나이트라이드(GaN) 나노와이어 구조를 성장시켰다. 여기에 발광 활성층인 InGaN/GaN 다중양자우물 구조와 p-GaN 층을 형성해 코어-쉘(core-shell) 형태의 나노와이어 광 공진 구조를 구현했다.
이 구조는 기존 박막 대비 넓은 발광 활성 표면적을 확보해 광자 공진 효율을 높이고 광 이득 특성을 향상시켜 레이저 발진에 유리한 장점을 갖는다. 실제 실험에서도 단일 나노와이어에서 상온 연속파 조건에서도 낮은 임계값으로 안정적인 청색 레이저 발진을 구현하는 데 성공했다.
연구팀은 높은 색순도와 단일 방향성 방출 특성을 동시에 확보함으로써 초소형 나노 반도체 기반 고체 레이저 광원 픽셀 기술로서의 가능성을 실험적으로 입증했으며, 시뮬레이션을 통해 나노와이어 구조에서 형성되는 광 구속 모드와 방열 특성도 분석해 저임계 레이저 발진 원리를 규명했다.
이번 연구는 초고해상도 근안 디스플레이용 광원 픽셀 기술뿐 아니라 차세대 나노포토닉스 기반 광전자 집적 소자로의 확장 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.
엄대영 교수와 라용호 교수는 “이번 연구는 VR·AR·XR용 초고집적 나노 레이저 광원 픽셀 구현을 위한 원천기술이자 차세대 광자-전자 융합 반도체 집적회로(OEIC) 기반 AI 시스템 구현을 위한 핵심 기반기술이 될 것”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구 성과는 엘스비어(Elsevier)가 발행하는 나노과학·에너지 분야 국제 학술지 ‘Nano Energy’(IF 17.2)에 ‘Directionally-emitting single-nanowire CW lasing pixel for ultra-high resolution near-eye displays’라는 제목으로 게재됐다. 연구는 한국연구재단의 Post-Doc 성장형 공동연구 사업, 우수신진연구 사업, 나노·소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, G-램프(LAMP) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
Research Teams from Kumoh National Institute of Technology and Jeonbuk National University Develop ‘Room Temperature Low-Critical Nano-Laser Light Source’
A research team led by Professor Daeyoung Um at Kumoh National Institute of Technology has succeeded in developing a nanowire-based semiconductor structure capable of low-critical laser oscillation at room temperature.
Kumoh National Institute of Technology (President Sangho Kim) announced that Professor Daeyoung Um of the Department of Semiconductor Engineering in the School of Advanced Industry Convergence, Jeonbuk National University (President Ohbong Yang), developed a ‘group III nitride (InGaN/GaN) semiconductor-based nanowire resonance structure’ through a joint research project with Professor Yongho Ra of the Department of Information Materials Engineering in the School of Materials Science and Engineering at Jeonbuk National University.
The research team is drawing attention from the academic community by presenting ‘ultra-small nano-laser light source technology’ that can replace micro-LED light sources, utilizing nanowire structures that possess superior optical and electrical properties compared to existing thin-film structures. This technology is expected to be utilized in the fields of next-generation microdisplays for the metaverse—including Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR), and Extended Reality (XR)—as well as in the Artificial Intelligence (AI) industry.
Group III nitride semiconductors are materials formed by combining nitrogen with Group III elements such as aluminum, gallium, and indium. They are attracting attention as core materials for light-emitting devices because they can generate light of various wavelengths ranging from ultraviolet to visible and infrared regions. However, existing thin-film semiconductors have faced limitations in realizing ultra-small laser light sources capable of low-power operation due to high crystal defect densities and restricted optical gain resonance structures.
To address these issues, the research team developed a proprietary epitaxial growth technique utilizing the Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) process to grow high-quality gallium nitride (GaN) nanowire structures on silicon substrates. By forming an InGaN/GaN multi-quantum well structure and a p-GaN layer as the light-emitting active layer, they realized a core-shell nanowire optical resonance structure.
This structure offers advantages favorable for laser oscillation by securing a large light-emitting active surface area compared to conventional thin films, thereby increasing photon resonance efficiency and enhancing optical gain characteristics. In actual experiments, the team successfully achieved stable blue laser oscillation with a low threshold value using a single nanowire, even under continuous wave conditions at room temperature.
By simultaneously securing high color purity and unidirectional emission characteristics, the research team experimentally demonstrated the potential of this technology as a solid-state laser light source pixel based on ultra-small nano-semiconductors. Furthermore, through simulations, they analyzed the optical confinement modes and heat dissipation characteristics formed within the nanowire structure to elucidate the principles of low-criticality laser oscillation.
This research is highly significant in that it presents the potential for expansion not only into light source pixel technology for ultra-high-resolution near-eye displays but also into next-generation nanophotonics-based optoelectronic integrated circuits.
Professors Daeyoung Um and Yongho Ra stated, "This research will serve as a source technology for realizing ultra-high-density nano-laser light source pixels for VR, AR, and XR, as well as a core foundational technology for implementing AI systems based on next-generation photonic-electronic integrated circuits (OEIC)."
Meanwhile, the results of this research were published in ‘Nano Energy’ (IF 17.2), an international academic journal in the field of nanoscience and energy published by Elsevier, under the title ‘Directionally-emitting single-nanowire CW lasing pixel for ultra-high resolution near-eye displays’. The research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea’s Post-Doc Growth Collaborative Research Program, Excellent Young Researcher Program, Nano & Materials Technology Development Program, Mid-Career Researcher Support Program, and G-LAMP Program.
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