▲ 이철호 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수.

기존의 실리콘 반도체나 화합물 반도체보다 우수한 동작 속도와 에너지 효율을 가지는 광소자를 제작할 수 있는 새로운 반도체 p-n 접합이 구현됐다.

미래창조과학부는 고려대 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수와 미국 하버드 대학교 물리학과 김필립 교수 연구진이 수 원자층 두께의 2차원 물질을 수직으로 쌓아 얇은 반도체 p-n 접합을 구현하고, 소자의 전기적/광학적 특성 및 광전지 동작원리를 밝혔다고 26일 밝혔다.

이번 연구는 향후 기존의 실리콘 반도체나 화합물 반도체보다 우수한 동작 속도와 에너지 효율을 가지는 광소자를 제작할 수 있는 가능성을 연 것으로 평가받고 있다.

또한 나노과학 분야의 세계적 국제학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 8월11일 게재됐다.

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

연구진은 서로 다른 두 가지 종류의 2차원 반도체 전이금속 칼코겐 화합물을 수직으로 쌓아 p-n 접합의 두께를 실리콘반도체 접합면의 100분의 1수준으로 줄임으로써 전자(또는 정공 이하 전자)의 이동 거리를 최소화하여 속도 및 효율을 증가시킬 수 있음을 보였다.

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

더 나아가 연구진은 앞서 발견한 실험결과를 토대로 실제 응용소자 개발 가능성을 열기 위해 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 초고속 광검출소자, 고효율 태양전지의 응용 가능성을 열었다.

이철호 교수는“이번 연구로 반도체 기본 소자인 p-n 접합을 구현하고 새로운 동작 원리를 밝힘으로써 향후 초고속고효율 광전자소자 개발 및 신개념 투명 유연소자 응용 연구에 초석이 될 것으로 기대한다.”라고 의의를 밝혔다.

▲ 수 원자층 두께를 가지는 반도체 p-n 접합의 모식도.