전북대, 초고감도 반도체 광센서 기술 개발

전북대학교(총장 양오봉)는 신소재공학부(정보소재공학) 라용호 교수와 이철로 교수 연구팀이 기존 반도체 기반 자외선 광센서의 광응답률(photoresponsivity) 및 검출률(detectivity)을 획기적으로 향상시킬 수 있는 신개념 마이크로선(microwire) 반도체 광검출기를 성공적으로 개발했다고 지난달 6일 밝혔다.
이번에 제안된 기술은 그동안 고효율 구현이 불가능했던 자외선 검출을 새로운 방식을 통해 고속·고감도·고효율로 가능하게 했다는 점에서 세계 학계의 주목을 받고 있다.
광센서용 반도체 소재 중에서 질화갈륨(GaN)은 고온 안정성, 긴 수명, 낮은 구동 전압 및 저소비전력, 그리고 초소형 박형화가 가능해 차세대 광센서 중에서 가장 유망한 물질 중 하나로 각광을 받아왔다. 그러나 질화갈륨 반도체 소재 안에 높은 결함 밀도, 낮은 광 전도성 이득(photoconductive gain), 그리고 낮은 전하 캐리어 이동도는 고효율의 광센서 제작 및 상용화에 커다란 걸림돌이었다.
연구팀은 이러한 광 전도성 이득을 획기적으로 향상시킬 수 있는 비표면적이 극대화된 질화갈륨 마이크로선 구조를 유기금속화학증착법(MOCVD)을 통해 새롭게 개발했다. 또한 기존에 광센서용 반도체 소재에서는 효율 저하의 주원인이 되는 전위(dislocation) 결함을 ‘풀-프렌켈 효과(Poole–Frenkel effect)’를 적용함으로써 전위 결함을 전하 장벽이 아닌 전하 캐리어의 이동 경로로써 이용하는 신개념의 에너지 밴드갭 메커니즘을 세계 최초로 정립했다.
이번에 개발된 자외선 반도체 광센서는 기존의 필름 구조의 자외선 반도체 광센서에 비해 비표면적 및 캐리어 이동도가 수십 배 이상 증가되어 광 응답률 및 검출률이 비약적으로 향상되는 결과를 보였다.
연구팀은 “이번 기술은 유기금속화학증착법(MOCVD)을 통해 제조되어 대량 생산이 가능한 기술”이라며 “향후 자외선 반도체 광센서뿐만 아니라 가시광 광센서에도 응용이 가능하여, 미래의 자율주행, 의료, 우주 및 군사, 신재생 에너지, 사물 인터넷, 광통신 등에서 널리 활용될 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다.
이번 핵심 소재 기술 개발은 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 나노및소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 최신호에 게재됐다.