국내 연구팀이 그래핀 소자의 광반응 성능을 크게 높일 수 있는 새로운 구조의 광검출소자를 개발해 냈다. 투명하고 접을 수 있는 광·전자소자 또는 디스플레이 실현에 기여할 것으로 기대된다.

그래핀은 탄소원자가 벌집 모양으로 결합된 단일 탄소원자층으로 전도성이 뛰어나면서 투명하고 유연해 투명하고 휘는 차세대 전자 및 광전자 소자 재료로 각광받고 있다. 광검출소자는 광신호를 감지하는 소자로 이미징(imaging), 감지(sensing) 및 광통신 기기들에 사용되는 핵심부품이다.

경희대 응용물리학과 최석호 교수, 김창오 연구박사, 김성 교수 및 성균관대 나노과학기술원 황의헌 교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도전연구)의 지원으로 수행되었고 네이처 커뮤니케이션스지(Nature Communications) 2월 12일자 온라인판에 게재되었다. ( 논문명 : High photoresponsivity in an all-graphene p-n vertical-junction photodetector )

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

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

연구팀은 올 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드를 광검출소자에 적용하고 그 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존 실리콘 소자 등과 비슷하거나 그 이상(0.4 ~ 1.0 A/W)임을 규명했다.

올(All) 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드는 금속 같은 다른 이종의 화합물을 접합시키지 않고 순전히 그래핀으로만 이뤄져 투명도와 유연성이 높은 다이오드. 정공이 전하를 운반하는 p형 그래핀과 전자가 전하를 운반하는 n형 그래핀을 수직으로 접합시킨 형태로 이 사이의 중간층이 일종의 터널링 장벽(tunneling barrier)의 역할을 해 다이오드의 본질인 전류스위칭 특성이 구현된다.

화학기상증착법으로 산화막 위에 성장, 전사시킨 그래핀에 각각 농도를 달리한 정공 또는 전자를 생성시키는 화합물질을 각각 도핑하여 p형 및 n형 그래핀을 제작하고 이를 수직으로 접합해 다이오드를 만들었다.

화학기상증착법(chemical vapor deposition)는 진공에서 혼합기체를 열 또는 플라즈마에너지에 의해 분해하여 기판에 흡착시키는 방법으로 대면적 박막소자 제작에 유리하다.

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

빛에 의해 그래핀에 생성된 전자와 정공의 수명시간에 비해 전극 간 이동시간이 짧아 한 개의 광자가 여러 개의 전자와 정공을 생성하기 때문이라는 해석이다.

정공(hole) 은 전자와 같은 거동을 하지만 양의 전하를 가진 유사입자로서 p형 반도체(또는 p형 그래핀)에서 전류를 구성하는 주요 전하운반자이다.

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