|
|
| 경희대 최석호 교수팀, 그래핀/Si 퀀텀닷 융복합 포토다이오드 세계 최초 개발 |
|
| 기존 실리콘 소자에 필적하는 광반응 성능에 더해 단파장 영역 효율 획기적으로 향상시켜 |
| |
아이애드피알 
|
|
|
|
| ▲ 실리콘 퀀텀닷의 전자현미경 사진(좌측) 및 퀀텀닷 크기에 따른 광반응도 스펙트럼(우측). (사진제공=미래부) © 아이애드피알 | | 국내 연구팀이 꿈의 나노소재인 그래핀과 실리콘 퀀텀닷으로 이루어진 그래핀/실리콘 퀀텀닷 융복합 터널다이오드형 포토다이오드를 세계 처음으로 개발하였다. 이는 실리콘 퀀텀닷을 바탕으로 그래핀을 투명하고 유연한 전극으로 사용하는 고효율 광전자 소자의 실용화를 앞당길 수 있음을 보여주는 연구결과로서 기존 실리콘 소자의 단점인 단파장(고에너지) 영역에서의 낮은 광반응성을 상대적으로 낮은 구동전압에서 획기적으로 향상시켰을 뿐만 아니라 처음으로 소자 수준에서 소위 양자가둠효과를 완벽하게 증명했다는데 큰 의의가 있다.
실리콘 퀀텀닷(Si 양자점, Si quantum dot)은 10nm 이하의 실리콘 나노입자로서 보통 산화막 또는 질화막 안에 형성되며 소위 양자가둠효과에 의해 실리콘의 단점인 낮은 광효율을 향상시킬 수가 있으며 퀀텀닷의 크기에 따라서 띠간격 에너지를 가시광선 영역으로 변화시킬 수가 있어서 LED, 광검출소자, 및 태양전지 등의 광전자 소자의 재료로 각광받고 있다.
그래핀/Si 퀀텀닷 터널다이오드(tunnel diode)는 준금속성의 그래핀과 산화막 안에 성장된 실리콘 퀀텀닷 층을 수직접합한 형태로서 산화막이 일종의 터널링 장벽(tunneling barrier)의 역할을 해 다이오드의 본질인 전류스위칭 특성이 구현된다.
포토다이오드(photodiode)는 광신호를 감지하는 소자로 이미징(imaging), 감지(sensing) 및 광통신 기기들에 사용되는 핵심부품이다.
양자가둠효과(quantum confinement effect)란 반도체 나노입자의 크기가 작아짐에 따라서 띠간격 에너지가 커지는(파장은 역으로 작아지는) 원리. 실리콘은 띠간격 에너지가 1.1eV로서 근적외선 영역에 해당하나 10 nm 이하로 작아지면 띠간격 에너지를 가시광선 영역으로 높일 수 있다. 물질 수준에서는 여러 소재들에 대해서 증명이 되어 있으나 소자 수준에서의 완벽한 증명은 이번 연구가 처음이다.
경희대 응용물리학과 최석호 교수(교신저자), 신동희 박사과정(공동 제1저자), 김성 교수(공동 제1저자), 및 한국표준과학연구원 김경중 박사가 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 : 최양희)와 한국연구재단(이사장 : 정민근)이 추진하는 도전연구사업의 지원으로 수행되었으며 나노/재료 분야 세계적인 학술지인 어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials) 3월 온라인 판(논문명 : Graphene/Si-quantum-dot heterojunction diodes showing high photosensitivity compatible with quantum confinement effect)에 게재되었으며 국내외에 특허가 출원되었다.
기존의 실리콘(Si) 포토다이오드는 단파장(고에너지) 영역에서 광반응도가 급격히 떨어져 사용할 수 없으며 갈륨나이트라이드(GaN), 알루미늄갈륨나이트라이드(AlGaN), 산화아연(ZnO) 등의 띠간격 에너지가 큰 화합물 반도체가 원리적으로는 단파장영역에서 유리할 수 있으나 아직까지는 고성능의 구현이 어려울 뿐만 아니라 실리콘 공정으로 제작할 수 없어서 단가가 매우 비싸다는 단점이 있었다.
때문에 실리콘을 퀀텀닷으로 제작하여 금속/실리콘 퀀텀닷의 구조에 기반하여 광전자 소자를 개발하려는 연구가 오래 동안 지속되어 왔으나 금속은 얇게 제작하는 데에 한계가 있어서 불투명하고 그 전기적 특성을 변화시킬 수가 없기 때문에 광효율을 높이는데 한계가 있었다. 그래핀은 원자단일층으로 얇아 투명도와 유연성이 높고 빛을 잘 흡수할 뿐만 아니라 반도체와 잘 접합되도록 전기적 특성을 쉽게 변화시킬 수가 있어서 실리콘 퀀텀닷에 금속 대신 적용하면 고효율의 포토다이오드를 개발할 수 있을 것으로 예측할 수 있다.
연구팀은 그래핀/실리콘 퀀텀닷 터널다이오드를 처음으로 제작하고, 포토다이오드에 적용하여 상대적으로 낮은 구동전압에서도 그 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존 실리콘 소자 등에 필적한다는(~0.35 A/W) 사실을 밝히고 특히 단파장(고에너지) 영역에서 광반응도가 크게 향상된 것을 발견하였으며 소자 수준에서 양자가둠효과를 처음으로 완벽히 증명하였다.
그래핀/실리콘 퀀텀닷 융복합 포토다이오드를 제작하기 위해서 먼저 실리콘 웨이퍼 위에 이온빔 스퍼터링법(ion beam sputtering)에 의해 실리콘 퀀텀닷 층을 균일하게 제작하고, 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 성장한 그래핀을 실리콘 퀀텀닷 층에 수직으로 접합한 후 전극을 그 위에 증착함으로써 그래핀/실리콘 퀀텀닷 터널다이오드를 제작하였다.
이온빔 스퍼터링(ion beam sputtering)은 Ar 이온을 Si 웨이퍼에 충돌시켜 Si 플라즈마를 생성하여 실리콘 박막을 증착하는 방법이다. 산소 분위기에서는 SiOx 박막을 형성할 수 있는데 이를 고온에서 열처리하면 산화막 안에 실리콘 퀀텀닷을 성장할 수 있다.
화학기상증착법(chemical vapor deposition)은 진공에서 혼합기체를 열 또는 플라즈마에너지에 의해 분해시켜 기판에 흡착하는 방법으로 대면적 박막소자 제작에 유리하다.
이와 같은 높은 광반응 성능의 비결은 기존 금속/실리콘 퀀텀닷 구조 포토다이오드와 비교하여 그래핀의 투명도가 높아 실리콘 퀀텀닷이 빛을 더 잘 흡수할 수 있고 그래핀의 도핑농도와 퀀텀닷의 크기를 변화시켜 그래핀의 페르미 준위와 퀀텀닷의 띠간격 에너지를 각각 변화시킴으로써 그래핀과 실리콘 퀀텀닷이 전기적으로 더 잘 접합되어 빛에 의해서 더 많은 전자 및 정공이 생산되고 전극에 더 잘 수집되었기 때문이다.
페르미 준위(Fermi level)는 전자가 채워진 최고 에너지 준위를 의미하며 물질의 일함수와 깊은 관련이 있는데 반금속인 그래핀의 경우 금속성을 가지면서도 도핑에 의해서 페르미 준위를 변화시킬 수 있다는 매우 독특한 장점이 있다.
반도체에는 전자들이 존재할 수 없는 에너지 구간이 있는데 이를 띠간격 에너지라고 하며 빛의 흡수 또는 발광 에너지를 결정하는, 반도체에서는 광특성을 결정하는 중요한 인자이다.
정공(hole)은 전자와 같은 거동을 하지만 양의 전하를 가진 유사입자로서 반도체에 빛을 쪼이면 전자와 더불어 방출되며 반도체의 전류를 구성하는 주요 전하운반자이다.
실리콘 퀀텀닷 층에서 생성된 전자와 정공들이 그래핀/실리콘 퀀텀닷 계면에서 방해 없이 잘 이동하도록 그래핀의 도핑농도와 퀀텀닷의 크기를 적당히 조절하여 그래핀의 페르미 준위와 퀀텀닷의 띠간격 에너지를 최적화했기 때문이라는 해석이다.
한편 연구팀은 이러한 기술이 포토다이오드뿐만 아니라 다른 광전자소자인 LED, 태양전지 등으로도 응용될 수 있을 것으로 내다보고 있다.
/ 아이애드피알 인터넷부 엄재성 A.E. news@iadpr.net/
|
|
|
|
|
| |
|
|
| 기사입력: 2015/04/14 [15:22] 최종편집: ⓒ iadpr.net |
|
|
| |
|
|
|
※ 정당·후보자에 대한 지지 또는 반대의 글을 게시하고자 할 경우에는 실명인증 후 등록하셔야 합니다.
실명확인 된 게시물은 실명인증확인 여부가 표시되며, 실명확인 되지 않은 정당·후보자에 대한 지지 또는 반대 게시물은 선관위의 요청 또는 관리자의 판단에 의해 임의로 삭제될 수 있습니다.
※ 본 실명확인 서비스는 선거운동기간(2020.04.02~2020.04.14) 동안에만 제공됩니다.
※ 일반 의견은 실명인증을 하지 않아도 됩니다.
|
|
|
|
 |
기사 내용과 관련이 없는 글, 욕설을 사용하는 등 타인의 명예를 훼손하는
글은 관리자에 의해 예고 없이 임의 삭제될 수 있으므로 주의하시기 바랍니다. |
|
|
|
관련기사목록
|
|
 |
[대학교] 공주대 김상호 교수, “Silver nanowire 기술, Flexible 디스플레이의 핵심소재로 부상” 전망 |
아이애드피알 |
 2015/09/03/ |
|
[대학교] 인천대 박영돈 교수팀, 손쉬운 고결정성 균일 박막 제조기술 개발 |
아이애드피알 |
2015/09/02/ |
|
[대학교] POSTECH 조길원 교수팀, 그래핀 기반 ‘유연 전자소자’ 개발 |
아이애드피알 |
2015/09/01/ |
|
[대학교] 원광대 대학원 LED 석사과정 신왕수·오상호 학생, ‘제8회 한·중·일 조명 학술대회’ 참가 |
아이애드피알 |
2015/09/01/ |
|
[대학교] 한양대 조준형 교수팀, 이리듐 산화물에 전기가 흐르지 않는 원인 밝혀내 |
아이애드피알 |
2015/08/28/ |
|
[대학교] 광운대 이상신 교수팀, 다양한 색상 표현 가능한 신개념 컬러필터 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/26/ |
|
[대학교] POSTECH 오준학·김기문 교수팀, 뇌질환 물질 감지하는 플렉시블 바이오센서 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/25/ |
|
[대학교] 중앙대 정대성 교수팀, 물을 활용한 친환경 반도체 제조 신기술 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/25/ |
|
[대학교] UNIST 백정민 교수팀, 금속 입자가 들어가 있는 실리콘 스펀지 구조 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/21/ |
|
[대학교] 한국해양대, ‘2015년 청소년을 위한 LED 과학실험교실’ 개최 |
아이애드피알 |
2015/08/20/ |
|
[대학교] 연세대 김형준 교수팀, 가시광 흡수율을 높인 초박막 광소재 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/20/ |
|
[대학교] 고려대 이성환 교수팀, LED 이용 뇌-컴퓨터 인터페이스 기반의 하지 외골격 로봇 제어 기술 |
아이애드피알 |
2015/08/19/ |
|
[대학교] 인천대 학생들, 독일 레드닷 어워드 디자인 컨셉 부문 ‘위너’ 수상 |
아이애드피알 |
2015/08/18/ |
|
[대학교] 원광대 취업연계 대학원 LED 석사과정 인력양성사업단, 대학원생 대상 집중강의 실시 |
아이애드피알 |
2015/08/17/ |
|
[대학교] UNIST 이상영 교수팀, 원하는 곳에 원하는 모양으로 얇게 입힐 수 있는 리튬이온전지 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/17/ |
|
[대학교] 성균관대 송장근 교수팀, 신개념 미세 액정 조절 기술 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/10/ |
|
[대학교] 국민대 최성진 교수팀, 고감도 실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/10/ |
|
[대학교] KAIST 최경철 교수팀, 섬유 기반 유기 발광 디스플레이 원천기술 개발 |
아이애드피알 |
2015/08/06/ |
|
[대학교] 서강대 강태욱 교수팀, 금속 간 미세 간격 조절을 통한 1나노급 초미세간극 금속센서 제작 성공 |
아이애드피알 |
2015/08/06/ |
|
[대학교] 인하대 유천열 교수팀, 이론으로만 예측되던 스핀 소용돌이 만드는 힘 측정 성공 |
아이애드피알 |
2015/07/29/ |
|
|
|
|
|
|
|
