박진홍 교수, 실리콘 대비 백만 배 높인 광 응답성 기술 개발 성공

광센서 빛에 대한 응답성, 획기적으로 높아진다.

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 성균관대학교 전자전기공학부 박진홍 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노 반도체의 도핑기술과 이종 물질 간 적층기술을 활용하여 세계 최고 수준의 광응답성 1.27×106암페어/와트(A/W)을 갖는 고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

박진홍 | 성균관대학교 교수

2차원 나노반도체란
2차원 나노반도체는 두께가 종이처럼 얇으면서도 전기적, 기계적, 광학적 특성이 뛰어난 물질로 차세대 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 스마트 시계 등 각종 스마트기기의 유연 및 투명 소재에 적용 가능한 차세대 반도체 물질로서 각광받고 있다. 

연구의 필요성
2차원 나노반도체는 물질의 종류에 따라서 일반적으로 한 가지의 동작특성(n-형 또는 p-형)만을 갖기 때문에 도핑을 통해 반도체의 동작특성을 다양하게 조절하여 광검출기 및 트랜지스터와 같은 응용소자의 성능을 향상시키는 것이 연구과제였다. 또한 기존 2차원 나노반도체와 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 절연물질과의 계면 저품질 문제로 본래의 광검출기 및 트랜지스터 소자 성능을 제대로 발휘하기 어렵다는 한계점도 있었다.

연구내용
연구팀은 p-형 동작특성을 갖는 2차원 나노반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 표면에 트리페닐포스핀(PPh3)을 얇게 코팅하는 방식으로 전자를 공급하는 n-형 도핑기술을 적용하여 반전된 n-형 광검출기를 구현하는 데 성공했다. 동작특성이 반전된 광검출기의 광응답성 분석은 이번이 처음으로, 기존 p-형 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 광검출기보다 한 단계 높은 광응답성을 확인하였다.

또한 2차원 절연물질인 육방정 질화붕소(h-BN)에 2차원 나노반도체를 쌓은 수직 적층 구조를 활용하여 이종 물질 사이에서 굉장히 낮은 결함밀도를 갖는 고품질 계면을 만듦으로서 광응답성을 획기적으로 향상시켰다.
기존 이황화몰리브덴(MoS2) 기반 광검출기 소자에서 보고된 것과 비교하면 광응답성이 약 25배 증가한 것으로 1.27×106 암페어/와트(A/W)를 갖는 고성능 광검출기를 구현하여 매우 약한 세기의 빛도 검출할 수 있게 되었다. 
이는 도핑 및 적층기술이 적용되지 않은 p-형 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 광검출기의 광응답성 2.43×105암페어/와트(A/W)와 비교하면 약 5배 향상된 결과로 나타나 우리 기술의 우수성을 보여 주었으며, 일반적으로 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 기반의 광검출기보다는 백만(106)배 이상 높은 수치이다.

기대효과
박진홍 교수는 “2차원 나노반도체의 뛰어난 광응답 특성을 한 단계 향상시킴으로써 차세대 광전소자 개발 및 광계측/센서 산업 발전에 크게 기여할 것”이라며 연구의 의의를 설명했다.
2차원 나노반도체소자의 성능 제어 및 최적화 과정에 적용이 가능한 도핑기술 및 이종 물질 간 적층기술은 다양한 2차원 전자/광전소자 공정에 범용적으로 활용 가능하기 때문에 관련 분야의 발전에 기여할 것으로 보인다. 특히 세계 최고 수준의 광응답성(1.27×106 A/W) 달성을 통하여 미래 2차원 광전소자의 산업화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

자료제공 | 한국연구재단(www.nrf.re.kr)

<용어설명>
·도핑: 전자나 정공의 농도를 조절해 반도체의 특성을 바꾸는 과정   
·광응답성: 입사된 빛의 단위 세기 당 생성된 전자 및 정공에 의해 흐르는 전류의 크기로서, 광검출기의 특성을 평가하는 가장 대표적인 인자임
·광검출기: 반도체 물질에 입사된 빛은 반도체 물질 내에서 정공 및 전자를 생성시키는데 이 정공/전자쌍을 가해진 전계에 따라 흐르게 하여 전류를 생성시키는 소자
·n형 또는 p형 : 반도체의 전기 전도현상을 지배하는 주된 운반체가 전자(electron)인 반도체를 n-형, 반대로 전자가 아니라 정공(hole)인 반도체를 p-형 이라고 함
·계면 저품질 : 반도체와 절연물질 간 계면의 특성은 계면에 존재하는 결함 밀도로 결정되는데, 계면 결함 밀도가 큰 경우 계면의 품질이 낮다고 볼 수 있음
·트리페닐포스핀(PPh3): 1개의 인 원자와 3개의 페닐기로 이루어진 물질로, 인 원자의 고립 전자쌍을 이용한 전자 공급을 통하여 2차원 나노반도체 물질에 n-형 도핑 현상을 일으킬 수 있음
·육방정 질화붕소(h-BN): 백색의 흑연이라고 불리는 신소재로서 흑연과 비슷한 육방정계 구조를 갖고 있어 화학적, 물리적 성질이 흑연과 비슷함. 그러나 흑연은 전기적으로 도체인 반면에 육방정 질화붕소는 전기적으로 뛰어난 절연체임
·반전된 n-형 광검출기 : 일반적으로 p-형 동작특성을 갖는 2차원 나노반도체 기반 광검출기에 도핑 등의 방법을 통하여 반전된 n-형 동작특성을 갖게 만든 광검출기
·이셀레늄화텅스텐(WSe2) : WSe2는 TMD (transition metal dichalcogenide) 물질 중 하나로 주기율표에서 전이금속에 해당하는 텅스텐(W)이 가운데 있고, 칼코게나이드(chalcogenide)  물질인 셀레늄(Se)이 위 아래로 결합되어 있는 층상구조를 갖고 있음.
·전하산란효과 : 전하의 이동도에 영향을 미치는 전하산란효과에는 격자 산란과 불순물 산란이 있는데, 이러한 산란효과는 전하들의 이동 경로를 방해하기 때문에 반도체의 전기전도도가 낮아지게 하는 주요한 요인임