반도체 접합면 두께를 100분의 1 수준으로 줄인 기술이 개발됐다. 기존 실리콘 반도체, 화합물 반도체보다 동작 속도와 에너지 효율이 개선된 초고속·고효율 광전자소자 개발 발판을 마련했다는 평가다.
이철호 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수와 김필립 하버드대 물리학과 교수 공동 연구팀은 원자층 두께 2차원 물질을 수직으로 쌓은 반도체 p-n접합을 구현하고, 소자의 전기적·광학적 특성과 광전지 동작원리를 규명했다고 24일 밝혔다.
p-n접합은 전기적 성질이 다른 두 반도체(p형 반도체, n형 반도체) 간 접합으로, 가장 기본적인 소자를 구성한다. 외부 빛을 흡수해 전기적 신호나 에너지를 생성하는 광소자로 널리 사용된다.
기존 실리콘 반도체 p-n접합은 수백 나노미터(㎚) 두께로, 이 두께 때문에 소자 동작 속도가 제한되고 효율이 떨어졌다. 접합면 두께가 전자 이동의 걸림돌이 됐기 때문이다.
연구진은 두 종류의 전이금속 칼코겐 화합물을 수직으로 쌓아 접합면을 100분의1 수준으로 줄였다. 전이금속 칼코겐 화합물은 반도체 특성을 보인다. 연구진은 또 이 접합면에서의 전자 이동 속도가 기존 전기장 내 전자 이동 속도보다 빠르다는 사실도 밝혀냈다.
응용소자 전극으로는 전이금속 칼코겐 화합물과 구조적으로 비슷하지만 전기적으로 금속성을 가진 단원자층 그래핀을 사용했다. 그래핀을 p-n접합 위·아래에 붙여 전극을 포함한 소자 전체의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄였다. 완성된 소자에서는 전자가 전극으로 수집되는 속도·효율이 획기적으로 개선됐다.
개발된 기술은 다이오드, 광검출기, 발광다이오드, 태양전지 등 다양한 광전자소자에 응용될 것으로 기대된다. 접합 두께를 원자 수준으로 줄였기 때문에 초고속·고효율 광전자소자 개발이 가능하다. 투명·유연 소자 개발에도 활용될 전망이다.
이 교수는 “반도체 기본 소자인 p-n접합을 구현하고 새로운 동작 원리를 밝혔다”며 “초고속·고효율 광전자소자 개발, 신개념 투명 유연소자 연구에 초석이 될 것”이라고 기대했다.
연구는 미래창조과학부가 지원하는 나노·소재기술개발사업 제4세부과제 일환으로 수행됐다. 연구 결과는 네이처출판그룹(NPG)이 발행하는 나노과학 분야 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’ 11일자에 실렸다.
송준영기자 songjy@etnews.com
