수 원자층 두께의 반도체 p-n 접합에서 광전지 원리 규명

[산업일보]
국내 연구진이 수 원자층 두께의 2차원 물질을 수직으로 쌓아 얇은 반도체 p-n 접합을 구현하고, 소자의 전기적/광학적 특성 및 광전지 동작 원리를 밝혀, 향후 기존의 실리콘 반도체나 화합물 반도체보다 우수한 동작 속도와 에너지 효율을 가지는 광소자를 제작할 수 있는 가능성을 열었다.

p-n 접합은 전기적 성질이 서로 다른 두 반도체 물질(p형 반도체와 n형 반도체)간의 이종접합으로 가장 기본적인 소자를 구성한다. 외부 빛(예를 들면, 태양광)을 흡수해 전기적 신호(또는 에너지)로 생성하는 광소자로 널리 사용된다.

고려대학교 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수와 미국 하버드 대학교 물리학과 김필립 교수 연구진이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노․소재기술개발사업(총괄책임자 세종대학교 그래핀 연구소장 홍석륜 교수)의 제4세부(책임자 김필립 교수) 과제의 일환으로 연세대 신소재공학과 이관형 교수(신진연구자지원사업)와 미국 컬럼비아 대학 기계공학과 제임스 혼 교수 연구팀과의 공동 연구로 수행됐고, 나노과학 분야의 세계적 국제학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)’에 최근 게재됐다.

기존 실리콘 반도체 p-n 접합의 경우 빛을 흡수해 전류를 흐르게 하기 위해서는 수백 나노미터 두께의 접합 내에서 전자가 물리적으로 이동해야 하며, 이때 접합면의 두꺼운 두께로 인해 소자 동작 속도가 제한되고 소자 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

전자(정공)는 반도체내에서 전류를 흐를 수 있게 하는 전하를 띠는 입자로, 음전하는 전자, 양전하는 정공이라고 부른다.

연구진은 서로 다른 두 가지 종류의 2차원 반도체 전이금속 칼코겐 화합물을 수직으로 쌓아 p-n 접합의 두께를 실리콘반도체 접합면의 100분의 1수준으로 줄임으로써 전자(또는 정공 이하 전자)의 이동 거리를 최소화해 속도 및 효율을 증가시킬 수 있음을 보였다.

또 연구진은 개발한 p-n 접합면에서 기존의 전기장 내에서 전자의 이동이나 확산보다 훨씬 빠르게 전자가 이동하는 물리적 현상에서 소자가 구동함을 새롭게 발견했다.

전이금속 칼코겐 화합물(Transition metal dichalcogenide)은 층상구조를 가지고 있어 그래핀과 유사하게 단일층으로 분리될 수 있다. 그러나 그래핀과 달리 중간의 전이 금속 원자층이 양쪽의 칼코겐 원자층들에 의해 샌드위치된 구조로 세 개의 원자층이 단일층을 구성하며 반도체 특성을 보인다.

더 나아가 연구진은 앞서 발견한 실험결과를 토대로 실제 응용소자 개발 가능성을 열기 위해 전이금속 칼코겐 화합물과 구조적으로는 비슷하지만 전기적으로 금속성을 가진 단원자층 그래핀을 반도체 p-n 접합의 상하 수직면에 접합하여 전극을 포함한 소자 전체의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄일 수 있었다.

원자층 두께를 가지는 2차원 전이금속 칼코겐 화합물 기반의 반도체 이종 접합의 제조와 계면에서의 새로운 물리적 현상에 대한 기본적인 이해는 신개념의 소자 설계를 가능케 할 것이다. 그리고 이들 p-n 접합에서의 광검출 및 에너지 변환 소자 동작을 시연함으로써 기존의 소자의 성능을 뛰어 넘는 초고속, 고효율 광전자소자 응용 가능성을 제시했다. 또한, 최근 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 대면적 성장 기술과 접목하면 투명하고 유연한 소자 개발에 매우 유용한 원천소재 및 소자기술을 제공할 것으로 기대된다.

이철호 교수는 “이번 연구로 반도체 기본 소자인 p-n 접합을 구현하고 새로운 동작 원리를 밝힘으로써 향후 초고속 ‧ 고효율 광전자소자 개발 및 신개념 투명 유연소자 응용 연구에 초석이 될 것으로 기대한다”고 의의를 밝혔다.

더불어 그는 신진 연구자들에게 “새로운 현상의 관찰에만 만족하지 말고 내재된 기본 원리에 대해 더욱 깊이 고민하고 탐구하면 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것”이라고 당부했다.