아주대, 근적외선 광검출 성능 획기적 향상 방법 개발

a. SRO/LAO/Nb:STO 기반 근적외선 검출 소자의 모식도 b. 해당 소자를 이용한 광검출 측정 모습 c. 광검출 중 소자의 온도 변화 측정 결과. (자료제공: 아주대)

아주대 연구팀이 개발한  소자로 광검출 중인 모습. (자료제공: 아주대)

아주대학교(총장 최기주)는 이형우 교수(물리학과∙대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 SrRuO3/LaAlO3/Nb-doped SrTiO3(SRO/LAO/Nb:STO) 이종접합에서 수 원자층 수준 계면 제어를 통해 근적외선 광검출 성능을 혁신적으로 향상시키는 방법을 개발했다고 12월 26일 밝혔다. 

광검출 기술은 입사 광자를 전기 신호로 변환하는 반도체 분야 기초 기술 중 하나로, 다양한 광전자 응용 분야에서 중요하게 활용되고 있다. 특히 근적외선 광검출기는 ▲야간 투시 ▲보안 ▲의료 진단 - 바이오 메디컬 이미징 등 여러 분야에 활용될 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 

근적외선(Near-Infrared, NIR) 광검출은 파장이 대략 850nm~ 155nm 인 빛을 검지하는 기술이다. 눈에 보이는 가시광선 영역이 아니기 때문에 일반적으로 제어가 어렵고, 더욱이 장파장 영역이라 에너지가 낮아 정밀하게 검출하는 데에 어려움이 있다. 반면, 근적외선 빛은 가시광선에 비해 다른 물질 속으로 더 깊이 통과할 수 있으며, X선이나 UV처럼 부작용을 유발하지 않기 때문에 다양하게 응용될 수 있다. 

또한, 장파장 빛인 만큼 산란이 적고 더 먼 거리까지 정보를 전달할 수 있다는 장점이 있어, 정밀 측정만 가능하다면 ▲광섬유 네트워크 통신 ▲생체 조직 내 바이오 이미징 기술 ▲야간 감시 장비 및 야간 적외선 시각화 ▲얼굴 인식 및 보안 분야 등에의 적극적인 활용이 가능하다.

현재 활용되는 대부분의 근적외선 광 검출 기술은 실리콘 또는 수은-카드뮴-텔루라이드(HgCdTe) 등의 II-VI 화합물 반도체를 이용한다. 하지만 실리콘의 경우 낮은 흡수 계수로 인해 근본적 성능 한계가 존재하며, HgCdTe화합물 반도체의 경우 낮은 재료 균일성과 화학적 불안정성이 문제로 남아있다.

이러한 한계를 극복하고자 쇼트키(Schottky) 접합 기반의 근적외선 광 검출기가 주목받기 시작했다. 여기에 활용되는 복합 산화물 이종구조는 쇼트키 장벽과 내부 전위 프로파일을 정밀하게 조정할 수 있어 매우 유망한 전자 소재로 볼 수 있다.

아주대 연구팀은 극성(Polar) 단층 LAO를 삽입해 계면에서 쇼트키 장벽을 최적화해 근적외선 광(파장 850nm) 조사 시 ~1.1 mA/W의 높은 감응도를 유지하면서, 암전류(dark current)는 수 pA 수준으로 억제할 수 있었다. 이러한 원자층 수준 계면 제어를 통해 감응도를 최대 1371%까지 향상시키는 데 성공했다. 또한 지속성 광전도성(Persistent photoconductivity, PPC)을 통해 광전도의 점진적인 제어가 가능함을 입증했다. 

이 같은 성능 향상은 계면에 삽입한 극성 LAO층을 이용해 터널 장벽의 높이와 폭을 근적외선 검출에 적합한 형태로 제어했기 때문이다. 연구팀은 또 추가로 개발한 SRO/LAO/Nb:STO 기반 광소자를 이용해 근적외선 광신호의 공간 이미징 및 신경 모방 소자 구현 가능성을 실험적으로 입증했다. 

이형우 교수는 “이번 성과를 통해 복합 산화물 이종구조 기반의 고성능 근적외선 광 검출기 개발이 가능해질 것”이라며 “관련 광전자 응용 분야에서 산화물 이종접합이 매우 큰 잠재력을 가지기에 야간 투시나 보안, 바이오 메디컬 이미징 등의 분야에서 널리 활용할 수 있을 것으로 본다”라고 말했다. 

이번 연구는 교육부 주관 대학기초연구소(G-LAMP) 사업과 한국연구재단의 우수신진연구, 기초연구실지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 ‘ACS nano’ 12월호에 온라인 게재됐다. 

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]