고려대학교 물리학과

물리학과 공수현 교수,

반도체 기반 초박막 레이저 개발

- 50 나노미터 두께의 초박형 간접형 반도체로 새로운 레이징 현상 관측 -

고려대학교(총장 정진택) 물리학과 공수현 교수 연구팀과 경희대학교 김영덕 교수, 울산과학기술원(UNIST) 김제형 교수 공동연구팀이 상온에서 동작하는 머리카락 굵기의 만분의 1 수준의 두께를 갖는 2차원 반도체 (전이금속칼코겐화합물) 기반 간접형 반도체 레이저를 개발하였다.

기존의 레이저의 발광과 발진은 빛과 상호작용을 잘하는 직접형 반도체 물질에서만 관측되었다. 간접형 반도체의 경우 빛과의 상호작용 효율이 직접형 반도체에 비해 약 1/100배 약하여 광학소자로는 쓰이기 어려운 소재로 알려져 있다. 따라서 간접형 반도체를 이용하여 레이저를 만드는 일은 거의 불가능하다고 여겨져 왔다.

2차원 반도체는 그래핀으로 잘 알려진 이차원 물질의 일종으로 원자단위의 두께를 갖는 층 구조로 이루어져 있다.

공수현 교수 연구팀은 2차원 반도체가 높은 굴절률을 가진다는 특성에 주목하여 기존 레이저 두께보다 약 1/5 배 얇은 디스크 형태의 소자를 제작하였다. 이 2차원 반도체 초박막 디스크 구조는 레이징 현상을 관측하기 위한 광공진기 구조와 광이득 물질이 동시에 존재하는 구조이며, 레이징 현상에 적합한 전자 에너지 레벨을 가지고 있다. 따라서 간접형 반도체임에도 불구하고 레이징 현상을 최초로 관찰할 수 있었다.

제작된 레이저는 수십 나노미터의 초박막 형태이기 때문에 탈부착이 용이하여 광센서, 광증폭기, 광집적회로 등 레이저가 필요한 어떤 곳에도 부착하여 사용이 가능하다는 장점이 있다.

공수현 교수는 “이번 연구 결과는 기존 학계에서 예측했지 못했던 간접형 반도체 레이징 현상을 처음으로 실험적으로 관측한 결과여서 학문적으로 의미가 크며, 2차원 간접형 반도체 응용방향에 새로운 가능성을 열어주는 연구이다”라고 밝혔다.

고려대학교 물리학과 석박통합과정 성중현 연구원이 주저자로 수행한 이번 연구결과는 국제학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics, IF= 38.771)에 10월 13일자 온라인 게재됐다 (https://doi.org/10.1038/s41566-022-01085-w).