'3차원 영상기법'으로 차세대 반도체 소재 비밀 풀다

질화물 반도체 전기-빛 변환 저하 원인 단일원자 수준 규명
KBSI 연구팀 "질화갈륨 LED 시장 변화 기대"
단색전자빔 이중수차보정 투과전자현미경을 활용해 연구중인 KBSI 서울센터 연구팀.<사진=KBSI 제공>단색전자빔 이중수차보정 투과전자현미경을 활용해 연구중인 KBSI 서울센터 연구팀.<사진=KBSI 제공>

국내 연구팀이 3차원 영상기법으로 차세대 반도체 소재의 비밀을 풀었다.

KBSI(한국기초과학지원연구원·원장 이광식)는 양민호·백현석·이문상 박사 연구팀이 새로운 투과전자현미경붙임(이하 전자현미경) 영상기법을 개발하고 실리콘 기반 질화갈륨 반도체의 전기-빛 변환효율붙임 저하 원인이 그 독특한 원자 결함에 있다는 것을 확인했다고 16일 밝혔다.

연구팀은 차세대 반도체 소재로 각광받는 질화갈륨 반도체를 실리콘 기반에서 만들 경우 결정층이 만들어지는 성장 방향에서 기울어진 원자 결함 구조가 생기는 것을 확인했다.

새로운 3차원 현미경 영상기법을 활용해 결함 구조가 기존에는 예상하지 못했던 금속결합으로 구성돼 있음을 확인했다. 금속결합은 빛으로 변환되는 전자의 수가 크게 줄어들어 효율 저하를 야기한다.

일반적인 전자현미경 입체 영상법은 평면에 비해 수직 방향 구별 능력이 떨어져 입체적인 원자 구조의 분석이 어렵다. 연구팀은 이 영상기법에 회절조건 변화를 조합해 원자 결함의 입체적 구조를 밝혀냈다.

회절은 전자빔이 원자 배열의 특정한 각도에서 강한 반사를 일으키는 현상이다. 원자배열이 바뀌는 결함 지역에서 회절조건도 변하는 점을 이용하면 원자들의 상하좌우 이동방향을 알 수 있다. 회절조건 변화 구현은 KBSI 서울센터 단색전자빔 이중수차보정 투과전자현미경붙임을 활용했다.

양민호 박사는 "이번 연구는 새로운 전자현미경 기법 개발로 반도체의 효율 문제를 규명한 사례"라며 "다양한 물질 현상들을 밝혀내기 위해서는 보다 더 진보된 입체 전자현미경 연구법을 개발할 필요가 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는, 나노소재 분야 학술지인 'Nano Letters'에 지난달 3일자 온라인판으로 게재됐다.
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