1. 이종접합 기반 고성능 2차원 광검출기 개발 - 조서현, 강동호(1저자) / 박진홍 교수(교신저자)

정보통신대학 전자전기공학부 박진홍 교수(교신저자) 연구팀이 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체의 도핑기술과 이종 물질 간 적층기술을 활용하여 세계 최고 수준의 광응답성(1.27×106 A/W)을 갖는 고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다.

2차원 나노반도체는 물질의 종류에 따라서 일반적으로 한 가지의 동작특성(n-형 또는 p-형)만을 갖기 때문에 도핑을 통해 반도체의 동작특성을 다양하게 조절하여 광검출기 및 트랜지스터와 같은 응용소자의 성능을 향상시키는 것이 연구과제였다. 또한 기존 2차원 나노반도체와 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 절연물질과의 계면 저품질 문제로 본래의 광검출기 및 트랜지스터 소자 성능을 제대로 발휘하기 어렵다는 한계점도 있었다.

연구팀은 p-형 동작특성을 갖는 2차원 나노반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 표면에 트리페닐포스핀(PPh3)을 얇게 코팅하는 방식으로 전자를 공급하는 n-형 도핑기술을 적용하여 반전된 n-형 광검출기를 구현하는데 성공했다. 동작특성이 반전된 광검출기의 광응답성 분석은 이번이 처음으로, 기존 p-형 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 광검출기보다 한 단계 높은 광응답성을 확인하였다. 또한 2차원 절연물질인 육방정 질화붕소(h-BN)에 2차원 나노반도체를 쌓은 수직 적층 구조를 활용하여 이종 물질 사이에서 굉장히 낮은 결함밀도를 갖는 고품질 계면을 만듦으로서 광응답성을 획기적으로 향상시켰다.

결과적으로, 1.27×106 A/W의 높은 광응답성을 갖는 고성능 광검출기를 구현하여 매우 약한 세기의 빛도 검출할 수 있게 되었다. 이는 일반적으로 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 기반의 광검출기보다는 백만(106)배 이상 높은 수치이다.

이 연구는 2차원 나노반도체의 뛰어난 광응답 특성을 한 단계 향상시킴으로써, 차세대 광전소자 개발 및 광계측/센서 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 나노소자/재료공학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 6월 22일자에 게재되었다.
논문 제목: A High-Performance WSe2/h-BN Photodetector using a Triphenylphosphine (PPh3)-Based n-Doping Technique

2. 높은 광흡수율을 갖는 ReS2 2차원 물질 기반 초고성능 광검출기 개발 - 심재우, 오애리(1저자) / 박진홍 교수(교신저자) 

차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체 ReS2의 두께를 세밀하게 조절하여 세계 최고 수준의 광응답성(2.5×107 A/W)과 빠른 광응답속도(670ms)를 갖는 고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다.

2차원 나노반도체는 일반적으로 그 두께를 단층으로 제어하였을 때 직접천이형 밴드갭 특성을 보인다. 특히 단층 2차원 나노반도체는 간접천이형 밴드갭 특성을 갖는 다층 상태의 2차원 나노반도체에 비해 높은 양자효율을 보이지만, 얇은 두께(약 0.7 nm)로 인해 광흡수율이 낮아서 높은 광응답성을 얻는데 한계가 있다. 따라서 높은 광응답성을 갖는 2차원 나노반도체 기반의 고성능 광검출기를 구현하기 위해서는 적절한 두께의 2차원 나노반도체를 사용해야 하는데, 지금까지 보고된 2차원 광검출기 관련 연구들은 대부분 테이프를 이용한 기계적 박리 방법을 하여 2차원 나노반도체의 두께를 세밀하게 조절하는데 한계가 있으며, 실용화 가능성도 매우 낮다.

연구팀은 2차원 나노반도체의 두께를 세밀하게 조절하기 위해 산소플라즈마 처리를 이용한 쉽고 효율적인 공정 프로세스를 개발하였다. 두께에 관계없이 직접천이형 밴드갭 특성을 유지하는 이황화레늄(ReS2)에 개발된 산소플라즈마 처리공정을 적용하여 고성능 광검출기를 구현하였다. 특히 산소플라즈마 처리를 통해 (1) 이황화레늄의 두께를 세밀하게 조절하여 인가된 게이트 전압에 의한 이황화레늄 소자의 누설전류를 효과적으로 제어하였으며, (2) 이황화레늄의 표면에 많은 결함을 형성하여 광전하의 재결합 비율을 증가시켜서 광응답속도를 향상시켰다.

결과적으로, 2.5×107 A/W의 높은 광응답성과 빠른 광응답속도(670 ms)를 갖는 고성능 광검출기를 구현하여 매우 약한 세기의 빛도 검출할 수 있게 되었다. 이는 일반적으로 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 기반의 광검출기보다는 백만(106)배 이상 높은 수치이며, 지금까지 발표된 2차원 나노반도체 기반 광검출기 중 가장 높은 수치이다.
이 연구는 2차원 나노반도체의 뛰어난 광응답 특성을 한 단계 향상시킴으로써, 차세대 광전소자 개발 및 광계측/센서 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

논문 제목: High-Performance 2D Rhenium Disulfide (ReS2) Transistors and Photodetectors by Oxygen Plasma Treatment

3. 넓은 광검출 대역을 갖는 고성능 광검출기 개발 - 조서현(1저자) / 박진홍 교수(교신저자)

차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체인 이셀레늄화레늄(ReSe2)을 활용하여 넓은 광검출 대역(1064 nm 이상 가능)을 검지할 수 있는 고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다.

2차원 나노반도체는 물질의 종류에 따라서 (1) 다양한 금속-반도체 접합(옴 또는 쇼트키 접합)을 형성할 수 있고, (2) 또한 서로 다른 에너지 밴드 갭을 갖기 때문에 트랜지스터 및 광검출기와 같은 응용소자에서 다양한 전기적/광학적 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 그래핀(graphene), 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2)과 같이 상대적으로 활발한 연구가 이루어졌던 기존 2차원 물질들과 비교해 그 외의 2차원 물질들은 아직까지 연구가 부족한 실정이다. 특히 이러한 새로운 2차원 반도체 물질에 도핑기술을 적용하여 응용소자를 최적화시키는 연구는 아직까지 보고된 바 없었다.

연구팀은 기존의 이황화몰리브덴(MoS2) 소자와 같이 n-형 동작특성을 갖는 이셀레늄화레늄(ReSe2)을 이용하여 트랜지스터 및 광검출기 소자를 구현한 후, 전자 및 광전 소자의 성능관점에서 측정 및 분석을 진행하였다. 특히, (1) triphenylphosphine (PPh3) 기반의 n-형 도핑기술을 이용하여 금속-반도체 접촉저항을 개선하고 (2) 절연층 상부의 (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) 처리를 통하여 채널/절연층 간 계면의 전하산란효과를 억제하여 구현된 광검출기의 성능을 획기적으로 향상시켰다.

결과적으로, 연구팀은 가시광선 영역부터 근적외선 영역까지 넓은 광검출 대역(1064 nm 이상, 980 nm 이상의 대역에서 우수한 광검출 특성을 처음으로 확인)을 검지할 수 있는 고성능 광검출기를 구현하였다. 구현된 소자는 다른 2차원 광검출기와 비교하여 상대적으로 높은 광응답성(1.18×106 A/W)과 빠른 광응답속도(58 ms) 특성을 보였다.

이번 연구결과는 나노소자/재료공학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 8월 17일자에 표지논문으로 게재되었다.
논문 제목: Broad Detection Range Rhenium Diselenide Photodetector Enhanced by (3-Aminopropyl)Triethoxysilane and Triphenylphosphine Treatment