[한국기술뉴스] POSTECH 전자전기공학과 반도체 기술 융합센터 이병훈 교수 연구팀이 그래핀/p형 실리콘 접합구조를 이용해 고효율 포토디텍터를 제조하는 데 성공했다. 특히, 그래핀을 미리 도핑하는 간단한 방법만으로 검출도와 암전류 특성을 쉽게 개선하는 것이 주목할만한 결과이다. 

디지털카메라나 휴대전화기에 내장된 포토센서는 이제 이미지를 인식하는 차원을 넘어 지문인증이나 얼굴인식 등 생체 인식도 가능해졌다. 물체의 이미지를 인식해 ‘이미지 센서의 눈’이라고 불리는 광검출기, 즉 포토디텍터는 그만큼 더 정교하고 안정된 인식능력이 요구된다. 간편한 방법으로 포토디텍터의 광검출 능을 높이는 방법이 개발됐다.

포토디텍터는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 광검출기이다. 연구팀은 기존의 포토디텍터에 그래핀을 폴리에틸렌이민(PEI) 도핑하고, 쇼트키 장벽 높이를 0.42eV에서 0.68eV로 조절함으로써 크기가 작은 신호를 감지하도록 성능 개선에 주력했다.

이 방법처럼 쇼트키 장벽 높이를 0.26eV 조절했을 때, 포토디텍터의 암전류는 기존과 비교해 3배(980nA에서 219pA로) 감소했다. 뿐만 아니라, 도핑되지 않은 그래핀/p형 실리콘 광검출기와 비교했을 때, 근적외선(850nm)에서 광검출능(Detectivity)이 529% 향상된 결과를 보였다.

이번에 개발된 그래핀-실리콘 이종접합 포토디텍터는 낮은 암전류로 대기전력을 줄여 소모 전력을 줄일 수 있으며, 매우 작은 신호도 감지해 낼 수 있다. 때문에 소형화, 고속화 되어가는 디지털카메라, 이미지 센서, 동작인식센서, 광통신 시스템 등 정밀한 분야에 응용 가능성이 높을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구를 통해 개발된 기술은 그래핀 광센서 관련 창업기업인 시그마포토닉스에 이전, 상용화도 추진할 계획이다.

이병훈 교수는 “매우 쉬운 화학적 도핑 방법을 이용하여 광센서의 암전류를 획기적으로 저감했다”며 “그래핀 광센서의 상용화를 앞당기고, 자율주행자동차, 이미지 센서, 광통신 등 다양한 산업 분야에 응용 가능한 신기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)‘ 에 16일 게재됐다.