▲ 자외선 조사에 의한 산화물 반도체 광전류 증폭 및 가역적 제어 / (a) 상온에서 페로브스카이트 주석 산화물(BaSnO3) 위 자외선 조사에 따른 표면 산소 빈자리(oxygen vacancy) 형성 및 이를 통한 광전류 증폭 현상 도식도. (Advanced Materials 표지논문(Frontispiece)로 선정됨.) (b) 주위 산소 분압에 따른 광전류량의 가역적 제어 현상. 낮은 산소 분압에서 자외선 조사에 의한 산화물 반도체 내 전자-홀 쌍이 상온에서 표면 산소 빈자리를 형성하고 그에 따른 밴드갭 내의 준위(in-gap states) 형성을 가속화하는 것을 규명.(그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 손준우 교수 copyright reserved by Wiley-VCH)  © 특허뉴스

고온의 열처리 대신 상온에서 자외선을 쬐어 주는 것으로 산화물 반도체의 광전류를 1,000배 이상 증폭하고 제어할 수 있는 기술이 소개됐다.

한국연구재단은 포항공과대학교 손준우 교수 연구팀이 기존 열처리 대신 자외선으로 산화물 반도체의 광전류를 증폭하고 실시간으로 제어할 수 있는 전략을 제안했다고 3일 밝혔다.

페로브스카이트 결정을 이용한 주석 산화물 반도체는 가시광선 빛이 투과할 수 있는 넓은 밴드갭, 전자가 빠르게 흐를 수 있는 높은 상온 전자이동도 및 고온 안정성으로 인해 투명 반도체 소자, 전력 반도체, UV 검출기를 위한 차세대 소재로 주목받고 있다.

특히 지능형 광소자의 요구에 따라 광전류가 실시간으로 변하는 재구성 반도체 소자는 고민감성 광검출기, 홀로그램 메모리 소자 등으로 응용될 수 있다. 때문에 가역적으로 산화물 반도체 내의 특정 부분에서만 다량의 광전자를 형성하기 위한 연구가 중요하다.

연구팀은 상온에서 페로브스카이트 산화물 반도체에 자외선을 쬐어, 국부적 영역에서 산소 빈자리 결함을 생성하고 또 소멸시킬 수 있음을 알아냈다. 반도체 표면의 산소 빈자리는 광전류 증폭을 위한 전자의 생성이 이뤄지는 자리로 연구팀은 자외선으로 만든 산소 빈자리를 이용해 기존 대비 1,000배 이상의 광전류를 구현하는 데 성공했다.

특히 산소 빈자리 결함은 외부 산소 압력을 다양하게 조절하는 것만으로 생성과 소멸은 물론 빈자리 결함 농도도 제어할 수 있다. 멀티레벨 스위칭 등이 핵심이 될 다기능 재구성 소자의 실마리가 될 수 있어 특히 의미가 있다.

기존에도 고온에서 산소 빈자리 결함 형성으로 광전류 등의 물성을 제어하려는 시도가 있었으나, 소자 동작 시 가역적으로 산화물 반도체 표면 광전류를 증폭, 제어하는 연구는 없었다.

손준우 교수는 “집속된 자외선 기반 도핑으로 하부 기판 손상 없이 미세 패턴의 선택적 영역에서 반도체 특성을 제어할 수 있는 새로운 상온 공정기술을 제안한 것”이라며 “반도체 내 결함 준위 가역적 제어 원리에 기반한 재구성 현상은 다기능 소자 및 실시간으로 재구성 가능한 지능형 광소자에 적용될 수 있다”고 설명했다.

이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2021년 12월 18일 게재되었다.