대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 이종수 에너지공학과 교수팀이 다층구조의 이차원 물질의 광전효율을 크게 향상시킬 수 있는 구조를 개발했다고 7일 밝혔다. 차세대 광전소자 응용 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
'디칼코게나이드(TMDC)'는 반도체 물질로 주로 쓰이던 실리콘의 물리적·전기적 한계를 극복할 수 있는 소재로 주목받고 있는 반도체 물질이다. 단일층과 다층구조에 따라 밴드갭과 물성이 다른데, 단일층의 경우 직접 밴드갭을 지니는 반면, 다층은 간접 밴드갭을 지닌다.
그러나 단일층으로 제작된 TMDC소재는 반도체 소재 안에 생기는 입자인 엑시톤의 높은 결합에너지 때문에 다시 재결합될 확률이 높아 광전소자 응용에 제한이 있다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 밴드갭을 가지는 TMDC 소재에 규칙적으로 배열된 나노사이즈의 포어(PANS)를 형성해 직접 밴드갭 반도체로 변화하는 성질을 세계 최초로 발견했다.
또 높은 엑시톤 결합에너지를 극복하기 위해 작동 게이트 전압을 최소화하고자 h-BN(2차원 화이트 그래핀)층을 유전체로 사용해 다층구조를 가지는 TMDC 광센서를 제작했다.
연구팀은 광학 및 광전특성을 이해하기 위해 DFT(밀도범함수 이론) 계산을 수행했다. 그 결과, PANS를 통해 형성된 새로운 결함준위에 의한 밴드갭 구의 변화를 규명했으며, 엑시톤의 수명시간이 개선된 것을 확인했다. 더불어 이종접합 광검출기 성능 지수 비교 결과 기존보다 높은 광응답성과 광검출도를 갖는 소자제작이 가능함을 입증했다.
이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 황도경 박사팀, DGIST 화학물리학과 이재동 교수팀과 공동으로 진행됐다. DGIST 에너지공학전공 정민혜 석박통합과정생과 KIST 나현수 박사가 공동 1저자로 참여했다. 대구경북과학기술원 그랜드챌린지연구혁신프로젝트(Pre-CoE) 초연결미래소자밸리트로닉스 연구단과 한국연구재단에서 지원하는 중견연구자지원사업 지원을 통해 이뤄진 이번 연구결과는 최근 재료화학분야 최고 권위있는 학술지 중의 하나인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
