두께↓ 속도↑ 에너지 효율↑ '광소자' 나온다

국내연구팀, 얇은 반도체 p-n 접합에서 광전지 원리 규명

▲수 원자층 두께를 가지는 반도체 p-n 접합의 모식도.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]얇은 반도체 p-n 접합을 구현하는 기술이 개발됐다.

국내 연구팀은 24일 소자의 전기·광학적 특성과 광전지 동작 원리를 밝혀내고 앞으로 기존의 실리콘 반도체나 화합물 반도체보다 우수한 동작 속도와 에너지 효율을 가지는 광소자를 제작할 수 있는 가능성이 열린 것이다.

단원자층 그래핀을 반도체 p-n 접합의 상하 수직면에 접합해 전극을 포함한 소자 전체의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄일 수 있었다.

p-n 접합이란 전기적 성질이 서로 다른 두 반도체 물질 (p형 반도체와 n형 반도체)간의 이종접합으로 가장 기본적 소자를 구성한다. 외부 빛 (태양광 등)을 흡수해 전기적 신호 (또는 에너지)로 생성하는 광소자로 널리 사용된다.

기존 실리콘 반도체 p-n 접합의 경우 빛을 흡수해 전류를 흐르게 하기 위해서는 수백 나노미터 두께의 접합 내에서 전자가 물리적으로 이동해야 한다. 이때 접합면의 두꺼운 두께로 인해 소자 동작 속도가 제한되고 소자 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 서로 다른 두 가지 종류의 2차원 반도체 전이금속 칼코겐 화합물을 수직으로 쌓아 p-n 접합의 두께를 실리콘반도체 접합면의 100분의1 수준으로 줄였다. 전자(또는 정공 이하 전자)의 이동 거리를 최소화해 속도와 효율을 증가시킬 수 있었다.

또 개발한 p-n 접합면에서 기존의 전기장 내에서의 전자의 이동이나 확산보다 훨씬 빠르게 전자가 이동하는 물리적 현상에서 소자가 구동함을 새롭게 발견했다.

전이금속 칼코겐 화합물 (Transition metal dichalcogenide)은 층상구조를 가지고 있어 그래핀과 유사하게 단일층으로 분리될 수 있는 특징이 있다. 연구팀은 앞서 발견한 실험결과를 토대로 실제 응용소자 개발 가능성을 열기 위한 단계로 들어갔다. 전이금속 칼코겐 화합물과 구조적으로는 비슷하지만 전기적으로 금속성을 가진 단원자층 그래핀을 반도체 p-n 접합의 상하 수직면에 접합해 전극을 포함한 소자 전체의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄일 수 있었다.

이를 통해 빛에 의해 생성된 전자가 외부 전극으로 수집되는 속도와 효율을 획기적으로 개선해 고속 광검출소자, 고효율 태양전지의 응용 가능성을 열었다.

이번 연구는 고려대 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수와 미국 하버드 대학교 물리학과 김필립 교수 연구팀이 주도했다. 나노과학 분야의 국제학술지인 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology,[IF 33,265 JCR : 0.011])'에 8월 11일(논문명: Atomically thin p-n junctions with van der Waals heterointerfaces) 실렸다.

이철호 교수는 "이번 연구로 반도체 기본 소자인 p-n 접합을 구현하고 새로운 동작 원리를 밝혀냈다"며 "앞으로 초고속·고효율 광전자소자 개발과 신개념 투명 유연소자 응용 연구에 초석이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr