그래핀 p-n 수직접합 광검출소자 개발

최석호 교수팀, 그래핀 광반응성 높이는 구조 적용

최석호 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 광반응성을 높일 수 있는 그래핀 p-n 수직접합 광검출소자를 개발했다.

미래창조과학부는 경희대 응용물리학과 최석호 교수, 김창오 연구박사, 김성 교수 및 성균관대 나노과학기술원 황의헌 교수가 공동으로 그래핀 소자의 광반응 성능을 크게 높일 수 있는 새로운 구조의 광검출소자를 개발했다고 17일 밝혔다.

연구는 투명하고 접을 수 있는 광‧전자소자 또는 디스플레이 실현에 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행돼 네이처 커뮤니케이션스지 12일자 온라인판에 게재됐다.

광검출 소자로는 현재 실리콘(Si)이나 인듐갈륨비소(InGaAs)가 널리 이용되지만 딱딱하고 불투명해 접을 수 있는 투명한 광전자기기에 사용하기에 한계가 있었다.

원자단일층으로 얇아 투명도와 유연성이 높은 그래핀을 이용한 광검출소자 연구가 활발하지만 기존 소자에 비해 광반응 성능이 크게 떨어진다는 한계가 있었다.

연구팀은 올 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드를 광검출소자에 적용하고 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존 실리콘 소자 등과 비슷하거나 그 이상(0.4 ~ 1.0 A/W)임을 규명했다.
올 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드는 금속 같은 다른 이종의 화합물을 접합시키지 않고 순전히 그래핀으로만 이뤄져 투명도와 유연성이 높은 다이오드다.

정공이 전하를 운반하는 p형 그래핀과 전자가 전하를 운반하는 n형 그래핀을 수직으로 접합시킨 형태로 이 사이의 중간층이 일종의 터널링 장벽의 역할을 해 다이오드의 본질인 전류스위칭 특성이 구현된다.

진공에서 혼합기체를 열 또는 플라즈마에너지에 의해 분해해 기판에 흡착시키는화학기상증착법으로 산화막 위에 성장, 전사시킨 그래핀에 각각 농도를 달리한 정공 또는 전자를 생성시키는 화합물질을 각각 도핑해 p형 및 n형 그래핀을 제작하고 이를 수직으로 접합해 다이오드를 만들었다.

이같이 높은 광반응 성능의 비결은 기존 수평접합과 달리 수직접합 구조로 접합거리를 줄였기 때문이다.

이는 빛에 의해 그래핀에 생성된 전자와 전자와 같은 거동을 하지만 양의 전하를 가진 유사입자인 정공의 수명시간에 비해 전극 간 이동시간이 짧아 한 개의 광자가 여러 개의 전자와 정공을 생성하기 때문이라는 해석이다.

연구팀은 이러한 기술이 광검출소자 뿐 아니라 광전자소자인 LED, 태양전지 등으로도 응용될 수 있을 것으로 전망하고 있다.