24일 한국세라믹기술원 라용호 박사와 미국 미시간대학교(University of Michigan) 전기·컴퓨터공학부 제티안 미(Zetian Mi) 교수는 최근 공동연구를 통해 ‘미세전류로 구동되는 초소형 수직 반도체 레이저 소자’를 개발했다고 밝혔다.
일반적으로 사용되는 반도체 레이저 소자는 반도체 사이에서 평행한 빛을 방출하는 수평 발광 레이저가 대부분이다. 소자에 반사판이 부착되어 있어 부피가 크고 제조 공정이 복잡해 생산 단가가 높다.
여기에 차세대 레이저 소자로 각광받고 있는 수직으로 발광하는 반도체 레이저 소자 또한 반사판이 필수적이어서 초소형 디스플레이를 구현하고 저전력으로 구동되기에는 한계가 있었다.
공동연구팀이 개발한 소자는 질화물계 나노와이어 반도체 구조를 통해 수평이 아닌 수직으로 레이저가 방출된다. 또 초소형으로 제작이 가능하고 미세전류로도 구동이 된다.
초고진공상태에서 약 1000℃의 고온 합성을 통해 결함의 비율을 획기적으로 줄인 질화물계 나노와이어 반도체 구조로 설계하고 구조의 간격을 세밀하게 조절해 수평이 아닌 수직으로 레이저가 방출된다.
기존의 소자에서 필수적으로 요구되는 반사판을 제거하고 나노와이어 반도체 구조 자체에서 빛을 증폭시키는 방식을 적용하여 빛 효율을 극대화시켰다.
라용호 한국세라믹기술원 박사는 “미세전류만 흘려주어도 빛이 증폭되어 레이저가 나올 수 있다”며 “전력소모가 거의 없고 소자의 크기도 5㎛(0.005mm) 정도까지 줄일 수 있다”고 말했다. 1㎛(마이크로미터)는 100만분의 1m로 0.001㎜를 의미한다.
이번 레이저 소자 개발로 차세대 디스플레이 산업분야에서 3D 홀로그램, 마이크로 디스플레이, 투명 디스플레이, 가상현실(VR)을 위한 초미세 나노 픽셀의 응용뿐만 아니라 기존의 해상도와 전력 효율을 각각 100배 이상 향상 시킬 수 있을 것으로 전망하고 있다.
이번 연구결과는 미국 과학진흥협회(American Association for the Advancement of Science)가 발행하는 세계적 권위 국제학술지인 ‘사이언스 어드벤스(Science Advances)’ 2020년 1월호에 게재됐다.
강진성기자 news24@gnnews.co.kr 나노와이어 구조를 이용해 전기구동이 가능한 초소형 수직 반도체 레이저 소자 구조도. 일반적인 반도체 레이저 소자는 여러 층의 공진기, 반사판으로 구성되어 있는 반면, 이번에 개발한 소자는 이러한 구조들을 모두 제거한 단순 다이오드 구조로 제작됐다. 사진제공=한국세라믹기술원 한국세라믹기술원 라용호 박사 미국 미시간대학교 ‘제티안 미’ 교수
