국내 연구진이 수 원자층 두께의 2차원 물질을 수직으로 쌓아 얇은 반도체 p-n 접합을 구현하고, 소자의 전기적/광학적 특성 및 광전지 동작 원리를 밝혀, 향후 기존의 실리콘 반도체나 화합물 반도체보다 우수한 동작 속도와 에너지 효율을 가지는 광소자를 제작할 수 있는 가능성을 열었다.

고려대학교 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수와 미국 하버드 대학교 물리학과 김필립 교수 연구진이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노․소재기술개발사업(총괄책임자: 세종대학교 그래핀연구소장 홍석륜 교수)의 제4세부(책임자: 김필립 교수) 과제의 일환으로 연세대 신소재공학과 이관형 교수(신진연구자지원사업)와 미국 컬럼비아 대학 기계공학과 제임스 혼 교수 연구팀과의 공동 연구로 수행되었고, 나노과학 분야의 세계적 국제학술지인“네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology,[IF 33,265 JCR : 0.011])”에 8월 11일 게재되었다. 

기존 실리콘 반도체 p-n 접합의 경우 빛을 흡수하여 전류를 흐르게 하기 위해서는 수백 나노미터 두께의 접합 내에서 전자가 물리적으로 이동하여야 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 발견하였다.

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 접합하여 전극을 포함한 소자 전체의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄일 수 있었다. 

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

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

반도체 p-n 접합은 전류 정류, 광검출, 발광, 수광, 에너지 변환 등의 다양한 기능을 할 수 있는 가장 기본적인 반도체 소자이다. 기존의 3차원 p-n 접합의 경우 공핍영역 (depletion region)에 형성된 내부 전기장으로 인한 전자 (electron) 또는 정공 (hole)의 이동 및 확산에 의해 소자의 동작이 주로 결정된다. 최근 반도체 성질을 가진 2차원 전이금속 칼코겐 화합물의 재발견과 활발한 기초 연구는 원자층 두께의 반도체 p-n 접합의 제조를 실험적으로 가능케 하였다. 이렇게 접합의 두께를 원자층 수준으로 줄이면 기존과는 전혀 다른 물리적 현상 및 소자 동작 원리를 기대할 수 있다. 또한, 원자층 두께를 가지는 반도체 p-n 접합에서의 소자 동작원리에 대한 기본적인 이해는 새로운 개념의 반도체 광전자소자 개발의 밑거름이 된다. 

 본 연구의 공동 연구진은 원자층 두께의 반도체 p-n 접합을 실험적으로 구현하고, 소자의 전기적/광학적 특성 및 광전지 원리를 규명하였다. 

 이번 연구에서는 두 가지 다른 종류의 2차원 전이금속 칼코겐 화합물을 수직으로 쌓아 얇은 반도체 p-n 접합을 제조했다. 구체적으로 n형 반도체 성질을 가진 MoS2와 p형 반도체 성질을 가진 WSe2를 인공적으로 적층하여 p-n 접합을 형성하였다. 이종접합의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄여 빛에 의해 형성된 전자-정공 쌍의 분리 및 이동이 매우 빠르게 일어남 (picosecond, 일조 분의 일초 이하)을 밝혔으며, 기존의 반도체 p-n 접합과는 달리 이종접합 내 양자 터널링에 의한 전자-정공간의 재결합 과정이 소자 동작을 주로 결정함을 밝혔다. 또한, 외부 게이트 전압을 변화시켜 반도체 내의 수송자 농도를 조절하여 소자 동작을 전기적으로 제어할 수 있음을 보였다. 

한걸음 더 나아가, 단원자층 두께를 가지고 전기전도도가 매우 우수한 그래핀을 반도체 p-n 접합의 상하 수직면에 투명 전극으로 이용하면 전체 소자의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄일 수 있고, 이는 외부 전극으로 전자 (또는 정공)의 수집 속도와 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 이는 향후 초고속 광검출소자, 고효율 태양전지로의 응용될 수 있다.

원자층 두께를 가지는 2차원 전이금속 칼코겐 화합물 기반의 반도체 이종 접합의 제조와 계면에서의 새로운 물리적 현상에 대한 기본적인 이해는 신개념의 소자 설계를 가능케 할 것이다. 그리고 이들 p-n 접합에서의 광검출 및 에너지 변환 소자 동작을 시연함으로서 기존의 소자의 성능을 뛰어 넘는 초고속, 고효율 광전자소자 응용 가능성을 제시했다. 또한, 최근 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 대면적 성장 기술과 접목하면 투명하고 유연한 소자 개발에 매우 유용한 원천소재 및 소자기술을 제공할 것으로 기대된다.  

1. 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)

- 영국 Nature Publishing Group에서 발행하는 과학 전문 월간지로 나노과학기술 분야의 세계 최고 권위를 가진 국제학술지. (피인용 지수: 33.265, 2013년)

 2. n형(p형) 반도체

- 도핑(doping: 반도체 물질 내에 외부 불순물을 넣음으로서 자유 수송자인 전자 (정공)을 생성하여 전기적 성질을 조절 하는 공정)에 의해 주 수송자(majority carrier)가 전자(정공)인 반도체 물질

 3. 공핍 영역 (Depletion region)

- 전기적으로 서로 다른 두 개의 반도체를 접합하면 수송자인 전자 (electron)와 정공 (hole)이 이동․ 확산하여 평형을 이루면서 접합면에 형성되는 영역이다. 이 영역에서는 자유 전자 및 정공은 존재하지 않으며 이온화된 전하의 공간적 분포에 의해 내부 전기장이 형성된다. 

 4. 그래핀 (graphene)

- 탄소 원자 한 층으로 이루어진 2차원 물질이다. 층상 구조를 가진 흑연의 한 층에 해당하여 투명하고 유연하다. 에너지 밴드갭이 존재하지 않아 전기적으로 반금속 (semimetal) 성질을 지닌다.  

  5. 광전자소자 (Optoelectronic devices)

- 빛을 전기로, 전기를 빛으로 변환하여 수광, 발광 및 에너지 변환 등의 기능을 할 수 있는 반도체 소자이다. 대표적으로 광검출기, 발광다이오드, 레이저, 태양전지 등이 이에 해당한다.