국내 연구팀이 기존 복잡한 반도체 소자 제조 공정에서 벗어나 성능 한계를 극복하고 하나의 재료만으로 고흡수율을 구현하는 구조 설계 기술을 개발했다. 고성능 광학 소자 대량생산 및 상용화에 기여할 전망이다. 광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수팀이 단일 물질로 구성된 매우 단순한 형태인 필름형 적층 구조인 탑(Tamm) 플라즈몬 구조를 이용해 근적외선 영역에서 선택적 흡수가 가능하고, 협대역의 고흡수율을 갖는 차세대 반도체 소자를 개발하는 데 성공했다고 18일 밝혔다. 탐 플라즈몬 구조는 서로 다른 유전체층이 주기적으로 적층된 층과 금속층이 결합된 형태로, 두 층 계면에서 빛의 강한 흡수가 일어나는 구조이다. 연구팀은 이번 연구에서는 탐 플라즈몬 구조를 통해 근적외선 영역에서 향상된 광학적 특성을 활용했다.



<근적외선 영역 협대역의 고 흡수가 가능한 단일 물질의 탐(Tamm) 플라즈몬 구조.>


<어레이 형태의 선택적 반응도를 갖는 차세대 반도체소자 구현.>


기존 반도체 소자는 높은 흡수율과 협대역의 우수한 성능을 위해 수십~수백 나노미터(㎚) 수준의 복잡한 형태로 구성된 광 구조로 개발돼 왔다. 하지만 이러한 구조들은 고비용의 복잡한 제작과정이 요구될 뿐만 아니라 대면적의 소자를 구성하기 어려워 실제 상용제품에 활용되기 힘들다는 한계가 있다. 최근 이러한 제작 방법과 복잡성을 극복하기 위해 단순한 필름형태 반도체 소자인 탐 플라즈몬 구조가 개발됐으나 대부분 일반적인 재료를 사용해 광학 설계의 한계점으로 작용해 100% 흡수율을 달성하기 어려웠다. 검출하고자 하는 빛의 100% 흡수율을 달성하기 위해 분산 브레그 반사경(DBR) 구조와 메탈 구조 사이에서 강한 흡수가 일어날 수 있도록 임피던스(전기장과 자기장의 비율) 값을 조절해야 한다. 하지만 DBR 층을 구성하는 재료의 한계로 인해 광학 특성의 조절이 자유롭지 않으며 고흡수율 달성에 있어 큰 난관으로 작용해왔다.




<단일 물질로 구성된 포토닉스 구조 기반 대면적 반도체 소자.>


연구팀이 개발한 단일 물질 기반 탐 플라즈몬 구조는 물질에 다공성을 부여해 자유롭게 물질의 특성을 변조했고 결과적으로 완벽한 흡수에 가까운 99% 이상 흡수율을 보였다. 이 기술은 단순한 구조에서도 강한 흡수율과 협대역의 고속 광 검출 특성(47~76㎳)을 나타냈다. 웨이퍼 수준의 대면적 공정 구현에도 성공해 상용제품으로 적용 가능성을 확인했다. 송영민 교수는 “기존 반도체 소자의 구조적 복잡성과 성능 한계를 극복하고, 물질 특성을 조절하여 하나의 재료만으로 고흡수율을 구현하는 구조 설계법을 개발했다”며 “광 흡수·방사를 기반으로 하는 태양전지, 수동 복사 구조 등 다양한 광학소자에 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업, 나노 및 소재 기술개발사업, 학문 후속세대지원 과제, 지스트 연구원(GRI) 및 정보통신기획평가원(IITP) 과제로 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 옵티컬 머트리얼즈'에 온라인으로 게재됐다.



<왼쪽부터 유영진 GIST 박사, 김소희 GIST 박사과정생, 송영민 GIST 교수, 고주환 GIST 박사과정생, 김민석 GIST 박사과정생.>


광주=김한식기자 hskim@etnews.com [Link]