국내 연구진이 원자 두께의 반도체에서 광변환 효율이 떨어지는 원인을 밝혀냈다. 미래창조과학부는 최현용 연세대 교수 연구팀이 원자층 반도체에 빛을 흡수시키면 새로운 형태의 반입자(엑시톤 반입자)가 나타나 광변환 효율을 저하시킨다는 사실을 구명했다고 8일 밝혔다.
원자층 반도체는 그래핀처럼 두께가 작은 원자가 한겹으로 배열된 원자층이지만 밴드갭(띠간격)이 있어 빛 흡수가 용이한 물질이다. 대표적으로 이황화몰리브덴(MoS2), 황화텅스텐(WS2) 등 전이금속 디칼코게나이드계열의 2차원 물질이 있다.
MoS2는 몰리브덴(Mo)과 황(S)이 육각 모양으로 서로 공유결합을 이뤄 판형 구조를 이루는 물질이다. 밴드갭이 없는 그래핀과 달리 단일 층에서도 밴드갭이 존재해 차세대 반도체 신소재로 각광받고 있다.
그러나 광소자 응용을 위한 많은 노력에도 2차원 물질을 이용한 광소자의 효율은 이론적 예상치를 크게 밑돌아 세계 과학자에게 그 원인이 무엇인지 큰 골칫거리였다.
연구진은 MoS2 단일 박막에 펨토초 레이저를 쪼이는 방식의 초고속 분광법을 이용했다. 광학적으로 측정 불가능했던 새로운 엑시톤 상태를 발견했다. 펨토초 레이저가 MoS2에 입사되면 엑시톤을 형성한다. MoS2의 엑시톤은 얇은 박막 환경에 의한 강한 공간적 양자 가둠 현상으로 기존 실리콘이나 갈륨아슈나이드(GaAs) 반도체에서의 엑시톤보다 훨씬 안정적인 엑시톤을 만든다. 이 엑시톤 준위와 전자 전도대 사이에 기존 전기적·광학적으로 관측 불가능한 새로운 엑시톤 반입자가 존재하는 것을 발견했다.
이번 엑시톤 반입자의 발견은 광변환 효율을 증가시킬 수 있는 해결책을 제시 할 수 있게 됐다. 연구팀은 낮은 광변환 효율이 엑시톤 반입자로 인한 것임을 실험적으로 밝혀냈다. 최현용 교수는 “과학계의 난제 중 하나를 풀어낸 것으로 앞으로 광센서, 광검출기, 태양 전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것”으로 기대했다.
연구결과는 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 2월 25일자에 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
