[한국기술뉴스] DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이종수 교수팀은 다층구조의 이차원 물질의 광전효율을 크게 향상시킬 수 있는 구조를 개발하고 체계적인 실험과 이론적 계산 결과를 도출했다고 밝혔다. 차세대 광전소자 응용 분야의 개발을 가속할 수 있을 것으로 기대된다.

‘디칼코게나이드(이하 TMDC)’는 반도체 물질로 주로 쓰이던 실리콘의 물리적‧전기적 한계를 극복할 수 있는 소재로 새로이 주목받고 있는 반도체 물질 중 하나다. TMDC는 단일층과 다층구조에 따라 밴드갭과 물성이 다른데, 단일층의 경우에는 직접 밴드갭(Direct bandgap)을 지니는 반면, 다층의 경우에는 간접 밴드갭(Indirect bandgap)을 지닌다.

그러나, 단일층으로 제작된 TMDC소재는 반도체 소재 안에 생기는 입자인 ‘엑시톤’의 높은 결합에너지 때문에 다시 재결합될 확률이 높아 광전소자 응용에 제한이 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 이종수 교수 연구팀은 간접 밴드갭을 가지는 TMDC 소재에 규칙적으로 배열된 나노사이즈의 포어(PANS)를 형성해 직접 밴드갭 반도체로 변화하는 성질을 세계 최초로 발견했다.

또한, 높은 엑시톤 결합에너지를 극복하기 위해 작동 게이트 전압을 최소화하고자 h-BN층을 유전체로 사용하여 다층구조를 가지는 TMDC 광센서를 제작했다. 또한, 광학특성을 향상시키기 위해 규칙적으로 배열된 나노사이즈의 포어(PANS)를 활성영역에 형성해 광전하 생성 및 여기를 극대화한 고성능 광센서를 구현했다.

해당 구조는 여러 이론적 연구에서 밴드갭 구조 및 광학적 특성의 변화가 가능하다고 예측된 바 있었으나, 이차원물질 기반의 이종접합 구조와 관련된 체계적인 실험과 결과를 이용한 이론적 계산은 여태 보고된 바가 없었다.

이에 연구팀은 광학 및 광전특성을 이해하기위해 DFT 계산을 수행했다. 그 결과, PANS를 통해 형성된 새로운 결함준위(defect state)에 의한 밴드갭 구조의 변화를 규명했으며, 엑시톤의 수명시간이 개선된 것을 확인했다. 더불어 이종접합 광검출기의 성능 지수 비교 결과 기존보다 높은 광응답성과 광검출도를 갖는 소자제작이 가능함을 입증했다. 이같이 향상된 광물성 효과로 인해 LiDAR, LED, 초소형 IoT센서등에 광범위하게 적용되는 차세대 광전소자 응용 분야의 개발이 가속될 수 있을 것으로 예상된다.

한편, 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 황도경 박사팀, DGIST 화학물리학과 이재동 교수팀과 공동으로 진행되었으며, DGIST 에너지공학전공 정민혜 석박통합과정생과 KIST 나현수 박사가 공동 1저자로 참여하였다. 아울러 재료화학분야 최고 권위있는 학술지 중의 하나인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF :30.849 )’에 2022년 1월 12일자로 게재됐다.

또한, 이번 연구는 대구경북과학기술원 그랜드챌린지연구혁신프로젝트(Pre-CoE) 초연결미래소자밸리트로닉스 연구단과 한국연구재단에서 지원하는 중견연구자지원사업 지원을 통하여 수행됐다.