실리콘 반도체로 적외선까지 본다…저비용·대량생산형 실리콘 적외선 센서 개발

[산업일보]
이미지센서는 스마트폰, 로봇, 자율주행차 등에서 사람의 ‘눈’ 역할을 하는 핵심 부품이다. 특히 단파장 적외선(SWIR, Short-Wavelength Infrared)은 일반 카메라로 보기 어려운 정보를 포착해 산업 검사와 의료 진단은 물론 야간 감시·정찰 등 국방 분야에도 활용된다.

하지만 기존 센서는 값비싼 화합물 반도체를 사용해 제조비용이 높고, 실리콘 반도체 공정과의 호환성이 낮아 대량생산에 한계가 있었다. 저렴한 실리콘을 활용하려는 연구도 이어졌지만, 실리콘은 단파장 적외선을 흡수하지 못한다는 문제가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소 양자기술연구단 이인호·박민철 박사 연구팀은 기존 실리콘 반도체 공정과 호환되는 단파장 적외선 이미지센서를 개발했다고 밝혔다. 새로운 반사방지 코팅을 적용해 적외선 검출 성능을 높이고, 실제 영상 구현에도 성공했다.

연구팀은 실리콘 대신 금속에서 빛을 감지하는 방식에 주목했다. 금속이 적외선을 흡수하면 에너지가 높은 전자인 ‘핫캐리어(Hot Carrier)’가 발생한다. 이 중 충분한 에너지를 가진 전자가 금속과 실리콘 사이의 에너지 장벽을 넘어 이동하면 전류가 만들어진다. 실리콘이 직접 흡수하지 못하는 적외선을 전기 신호로 바꿔 감지하는 원리다.



하지만 금속 표면에서 적외선이 반사되면 빛을 충분히 흡수하지 못해 검출 성능이 떨어진다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 약 10nm 두께의 초박막 구리 전극 위에 비정질 실리콘(a-Si)을 쌓는 새로운 반사방지 코팅(QARC, Quasi-generalized Antireflection Coating)을 적용했다. 복잡한 나노구조 없이 빛의 반사를 줄이고 금속의 적외선 흡수율을 높여, 기존 반도체 공정과의 호환성도 유지했다.

이렇게 금속이 흡수하는 적외선이 늘어나면서 핫캐리어가 더 많이 발생하며 전기 신호가 강해져, 전극 재료에 따라 기존 구조보다 광감도가 1.8~3배 향상됐다. 개발한 소자로 실제 단파장 적외선 영상을 구현하는 데도 성공했다. 고가의 화합물 반도체에 의존하던 적외선 이미지센서를 저비용·대량생산에 유리한 실리콘 기반으로 구현할 가능성을 확인한 것이다.

KIST 이인호 선임연구원은 “기존 실리콘 반도체 공정과 호환되는 방식으로 단파장 적외선 이미지센서를 구현했다”며, “의료·산업 검사와 국방 감시·정찰 등으로 활용 범위를 넓히고, 양자광집적회로 기반 양자컴퓨팅에 필요한 집적 광소자 기술로 발전시키겠다”고 밝혔다.

KIST 박민철 책임연구원은 “복잡한 나노구조 없이 반사방지 코팅만으로 적외선 검출 성능을 높인 것이 핵심”이라며, “공정이 단순하고 기존 반도체 제조공정과 호환성이 높아 차세대 적외선 광센서와 광전자 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.