(a) 그래핀-실리콘 이종접합 광검출기 구조 모식도 (b) 그래핀-실리콘 접촉면에서의 전자에너지 준위를 설명하는 에너지 밴드 다이어그램

광주과학기술원 이병훈 교수 연구진이 그래핀과 반도체 접합면에서의 특이한 전하이동 현상을 이용하여, 저전력 고성능 광센서를 개발했다.

광센서는 빛에너지를 흡수하여 전기에너지를 출력하는 장치로, 디지털카메라, 자율주행차, 광통신 등 활용되는 산업분야가 늘어나고 있다.

연구진은 그래핀의 탁월한 전기이동도, 실리콘반도체의 빛에너지 흡수 능력 뿐만 아니라, 이들의 접합면에서 발생하는 특이한 전류 증폭 현상을 이용했다.

이들의 접합을 통한 상승효과는 지금까지의 광센서에서 알려지지 않은 새로운 작동 원리이다.

개발된 센서는 광반응성, 누설 전류량, 광검출 측면에서 가장 뛰어난 상용 광센서(실리콘 APD*)보다 수십 배 우수한 성능을 보였다. 또한 그래핀을 반도체에 접합하는 공정이 매우 간단하여 광센서 제작단가를 현저히 낮출 수 있다.

이병훈 교수는 “이 연구는 기존 그래핀 또는 반도체 광센서와는 다른 새로운 원리에 기반하여 광센서를 개발한 것”이라며, “꿈의 신소재로 각광 받는 그래핀의 실용화를 앞당기고, 자율주행차, 광통신, 정밀측광기 등 다양한 산업분야에 활용될 수 있는 신기술이 될 것으로 기대된다”고 설명했다.

재료과학 분야 국제학술지 스몰(Small) 6월 7일 자 논문으로 게재되었다.

()논문명 : Gate controlled graphene-silicon Schottky junction photodetector)