국립금오공과대학교 엄대영 교수와 전북대 라용호 교수 공동연구팀이 상온에서 저임계 레이저 발진(낮은 전류로 레이저 발진)이 가능한 3족-질화물(InGaN/GaN) 반도체 기반 나노와이어 공진 구조체 개발에 성공했다.

  기존 박막 구조보다 광·전기적 특성이 우수한 나노와이어 구조를 활용한 연구를 통해 개발된 초소형 나노 레이저 광원 기술은 향후 VR·AR·XR 등 메타버스용 차세대 마이크로 디스플레이와 AI 산업에 활용될 것으로 기대된다.

  3족-질화물 반도체는 넓은 발광 파장 범위를 구현할 수 있어 핵심 발광 소재로 주목받고 있지만, 기존 박막 구조는 높은 결함 밀도와 제한적인 광 공진 구조로 인해 저전력 초소형 레이저 구현에 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 MOCVD 공정을 활용한 독자적 에피택시 성장 기술로 n-Si 기판 위에 고품질 n-GaN 나노와이어를 성장시키고, 측면에 InGaN/GaN 다중양자우물과 p-GaN 층을 형성한 core-shell 구조의 나노와이어 광 공진 구조체를 제작했다.

  이 구조는 넓은 발광 활성 면적을 통해 광자의 공진 효율을 높여 레이저 발진에 유리한 환경을 제공한다. 실험 결과, 단일 나노와이어에서 상온 연속파 조건에서도 낮은 임계값의 안정적인 청색 레이저 발진이 확인됐으며, 높은 색순도와 단일 방향성 방출 특성도 동시에 구현됐다.

  이번 연구는 초고해상도 근안 디스플레이(AR 안경, VR 헤드셋, XR-AI융합솔루션 등)를 위한 나노 레이저 광원 픽셀 기술과 나노포토닉스 기반 광전자 집적 소자 확장 가능성을 제시했다.

  연구 결과는 나노과학·에너지 분야 국제 학술지 Nano Energy(IF 17.2) 2월호에 게재됐다.