1, 2차원 반도체 혼합 구조의

하이브리드 광다이오드 소자 개발
개발한 광다이오드 소자로 차세대 나노반도체 기반 이미지 센서 구현

 

박민철 박사

황도경 박사

일반적으로 광다이오드 소자는 우리가 일상생활에 사용하는 디지털 카메라 또는 휴대폰 카메라의 이미지 센서 픽셀을 구성하는 필수 요소 중의 하나이다. 카메라에 사용되는 이미지 센서의 경우 광다이오드 소자에서 가시광의 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하고 구동회로 칩을 통해 이러한 신호를 처리하는 방식으로 이루어져있으며, 최종적으로 우리가 촬영하는 사진이나 동영상을 디스플레이를 통해 볼 수 있게 해준다. 최근 국내 연구진이 2개의 차원을 혼합한 하이브리드 광다이오드 소자를 개발하여 차세대 나노 반도체 기반 이미지 센서를 구현했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 박민철, 황도경 박사팀은 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 2차원 텅스텐 디셀레나이드*(Tungsten diselenide, WSe2) 나노시트 반도체와 1차원 산화아연 (ZnO) 산화물 나노선 반도체의 차원 혼합 이중 접합 구조를 제작하고, 이를 이용하여 자외선에부터 근적외선까지 빛을 감지할 수 있는 광다이오드 소자 개발에 성공하였다.
 *텅스텐 디셀레나이드 : 텅스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide, WSe2)는 칼코겐화물의 일종이며 다양한 표면에 코팅되어서 저전력 소자, 저렴하고 유연한 디스플레이, 센서, 유연 전자소자에 사용가능한 2차원 적층 결정 구조를 가지고 있는 나노 반도체 소재

<그림> 1차원 나노선-2차원 나노시트 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 소자 (a) 완성된 하이브리드 광다이오드 소자의 모식도 (b) 광다이오드 소자의 청색광 응답 특성 (c) 하이브리드 광다이오드 이미지 센서 구현 모식도 및 실제로 얻어진 애니메이션 캐릭터 ‘뽀로로’ 이미지

저차원 나노 반도체 소재는 차세대 반도체 시대를 준비하는 미래 반도체 소재의 유력한 후보군으로서 이를 적용한 소자 연구에 대한 관심이 급증하고 있다. 특히 2차원 원자막 반도체 소재의 경우 단일층 또는 다층형태의 나노시트를 구성할 수 있어 흥미로운 물리·화학적 특성을 구현해 낼 수 있다. 또한 결함이 없는 표면을 형성하기 때문에 기존 벌크 소재나 박막 소재로는 구현이 어려운 차원 혼합을 통한 이종 접합 구조를 용이하게 구현할 수 있어 다양한 전자 소자 및 광소자로써의 응용이 가능하다.
KIST 연구진이 사용한 2차원 소재(텅스텐 디셀레나이드(WSe2))의 경우 광응답 특성이 우수하며 홀 이동도가 우수한 p형 반도체 소재이며, 1차원 산화아연(ZnO) 나노선은 현재 가장 유망한 1차원 나노 반도체 중 하나로 우수한 전자 이동도를 가지고 있어 고성능 전자 소자 응용이 가능한 n형 반도체 소재이다. 연구진은 단결정 벌크에서 박리한 2차원 나노시트와 화학기상증착법으로 합성된 1차원 ZnO 나노선 소재와의 차원 혼합 이종 접합 구조(pn형)를 형성하여 광다이오드 소자를 개발하였다. 연구진은 제작된 하이브리드 광다이오드 소자를 이미지 센서 픽셀로 사용하여,   “뽀로로” 관련 내용이 기사에 인용될 경우, 반드시 ㈜아이코닉스의 사전 승인 부분을 언급해 주시기 바랍니다.
국내 인기 어린이 애니메이션의 “뽀로로” 캐릭터 이미지를 ㈜아이코닉스의 사전승인과 협조를 받아 이미지화하는데 성공하였다.

KIST 황도경 박사는 “이번 연구를 통해 1, 2차원 저차원 반도체 소재의 하이브리드 소자를 개발하여 자외선에서 근적외선에 이르는 빛을 감지하는 광다이오드 기본 소자를 구현했다.”고 말했으며, 박민철 박사는 “이번 연구는 새로 개발한 소자를 이용, 성공적인 2차원 이미지화를 구현하였으며, 향후 나노 스케일의 반도체 픽셀을 기반으로 하는 차세대 이미지 센서 소자의 상용화에 기여할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업, 중견연구자지원사업, Giga KOREA 사업으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 12.124)에 11월 3일(금)자 온라인 게재되었다.
 
*(논문명) Mixed-Dimensional 1D ZnO–2D WSe2 van der Waals Heterojunction Device for Photosensor

- (제1저자) 한국과학기술연구원 이영택 박사 (현재 MIT 박사후 연구원)
- (교신저자) 한국과학기술연구원 박민철 박사, 황도경 박사
- (교신저자) 연세대학교 물리학과 임성일 교수

Posted by KIST PR

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