장지수 (부경대, 한국과학기술연구원), 홍정표 (고려대, 한국과학기술연구원), 김상준 (연세대, 한국과학기술연구원), 윤선규 (한국광기술원), 이승아 (서울대), 박민철 (고려대, 연세대, 한국과학기술연구원), 황도경 (고려대, 한국과학기술연구원), Nat. Electron, doi: https://www.nature.com/articles/s41928-025-01339-9 (2025).

광 다이오드 소자는 빛을 감지하거나, 수확하며, 방출하는 데 널리 사용되는 전자 회로의 핵심 구성 요소 중 하나이다. 이러한 광 다이오드를 나노미터 수준의 두께로 축소하면 소자의 동작 속도, 전력 효율, 집적도를 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 2차원 반도체 중 한 종류인 2차원 전이 금속 칼코젠화합물(transition metal dichalcogenide, TMDC)은 원자 수준에서 균일한 두께를 유지하며, 강한 빛-물질 상호작용 덕분에 광 다이오드의 흡수층으로서 이상적인 후보군으로 주목받고 있다. 최근 이러한 소재를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 대부분의 2차원 TMDC 기반 광 다이오드는 5% 미만의 낮은 전력 변환 효율(power conversion efficiency, PCE)과 제한된 구동 범위 등의 문제를 안고 있다. 이는 주로 금속과 반도체 간 전기적 컨택(electrical contact)에서 발생하는 비효율적인 전하 수집으로 인해 발생되는 것으로 생각된다.

▲본 연구에서 제안된 CBIC 컨택 구조와 이를 활용한 광 다이오드 소자의 특성과 영상 획득 응용 소자 모식도: (a) 기존의 컨택 구조와 본 연구에서 제안된 새로운 CBIC 컨택 구조의 비교. CBIC에서는 중간층 내부에 형성된 전도성 경로를 통해 효율적인 광전하 수집이 이루어져, 2차원 광전 소자의 광전 변환 성능이 크게 향상됨. (b) CBIC의 페르미 레벨 피닝 완화 특성. (c) CBIC을 이용한 광전 소자의 전기적 특성. 효율적인 광전하 수집으로 인해 PCE가 크게 향상됨. (d) CBIC 소자를 기반으로 한 3차원 풀 컬러 집적 영상 획득 시스템 구현.

전하 수집 효율성을 결정하는 근본적인 파라미터 중 하나는 금속-반도체 접합에서의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이다. 이상적으로는, 적절한 금속을 선택하여 광생성된 전하 캐리어(전자와 정공)에 대한 쇼트키 장벽을 충분히 낮춤으로써 소자의 전하 수집 능력을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나, 실제로는 금속-2차원 반도체 접합에서 강한 페르미 레벨 피닝(Fermi level pinning)이 발생해, 금속의 일함수(work function)와는 무관하게 큰 쇼트키 장벽이 형성되는 경우가 많다. 이러한 현상은 소자의 전하 수집 효율을 저하시키며, 결과적으로 2차원 반도체 기반 광 다이오드의 성능을 크게 제한하는 주요 요인으로 작용한다.

페르미 레벨 피닝을 완화하기 위한 다양한 컨택 구조들이 기존에 제안되어 왔다. 예를 들면, 금속 전사법과 2차원 금속을 이용한 컨택 구조가 있다. 그러나 이 방법들은 금속 종류 선택의 폭이 매우 제한적이거나, 전사 공정 과정에서 발생하는 문제들(예: 오염, 손상, 불균일한 전사)로 인해 실제 소자 제조의 복잡성과 비용을 증가시키는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로 금속-중간층-반도체(Metal-Interlayer-Semiconductor, M-I-S) 컨택 구조가 제안되었다. 중간층을 도입하면 금속과 반도체 간의 직접적인 상호작용을 억제하여 페르미 레벨 피닝 현상을 효과적으로 완화할 수 있다. 그러나, 이러한 M-I-S 컨택 구조는 현재까지 제한적인 성공만을 거두었는데, 이는 주로 소자의 직렬 저항이 절연체로 구성되는 중간층 두께에 따라 매우 민감하게 변화되는 문제가 있기 때문이다. 예를 들어, 중간층의 두께가 단 1 nm만 증가해도 높은 직렬 저항(series resistance)이 지수함수적으로 크게 증가하여 소자의 전하 수집 효율이 크게 저하될 수 있다. 또한, 이러한 높은 직렬 저항은 광 다이오드 소자의 구동 범위를 제한하여 실제 응용 제품으로 발전하는 데 큰 걸림돌로 작용한다.

이러한 전통적인 M-I-S 컨택 구조의 문제를 해결하기 위해, 본 연구에서는 페르미 레벨 디피닝(Fermi level depinning)과 낮은 직렬 저항을 동시에 구현할 수 있는 새로운 컨택 구조인 ‘전도성 브릿지 중간층 컨택(conductive-bridge interlayer contact, CBIC)’을 개발하였다. 이 컨택 구조의 핵심은, 중간층 내부에 금 나노클러스터(gold nanoclusters)를 균일하게 분포시켜 전도성 경로(conductive path)를 형성, 직렬 저항을 대폭 낮춰 효율적인 전하 수집에 기여하는 것이다.

이러한 CBIC을 이용하여 2차원 WS2 광 다이오드를 제작한 결과, 0.29 A/W의 광 응답도(photoresponsivity), 122 dB의 선형 동적 범위(linear dynamic range), 9.9%의 PCE 성능을 달성하였다. 또한, 개발된 CBIC를 이상적인 컨택 플랫폼으로 활용, 2차원 반도체 광전 소자의 광캐리어 동역학(photocarrier dynamics)를 면밀히 관찰하였다. 그 결과, 컨택 재결합(contact recombination)이 2차원 반도체 기반 광전 소자의 성능에 상당한 영향을 미친다는 사실을 처음으로 밝혀내었다. 이를 검증하기 위해, 2차원 및 3차원 영상 획득 시스템을 구성하였다. 특히, 3차원 영상 획득 시스템에서는 마이크로렌즈 배열(microlens arrays)을 이용한 집적영상(integral imaging) 획득 방법을 적용하여, 여러 시점에서 장면을 기록하고 이를 복원함으로써 사실적인 3차원 영상을 생성하였다. 결과적으로, CBIC 소자를 기반으로 한 2차원 및 3차원 풀 컬러 영상 획득 시스템을 구현하여 실제 시제품으로의 응용 가능성을 제시하였다.

집적영상 분야는 고 이병호 교수님께서 많은 기여와 뛰어난 실적을 남기신 분야로, 이번 성과가 부족한 점도 많지만 고인께서 매우 기뻐해 주셨을 것으로 생각하며, 다시 한 번 고인의 업적을 기립니다.