국내 연구팀이 그래핀 소자의 광반응 성능을 크게 높일 수 있는 새로운 구조의 광검출소자를 개발해 냈다. 투명하고 접을 수 있는 광‧전자소자 또는 디스플레이 실현에 기여할 것으로 기대된다.

경희대 응용물리학과 최석호 교수, 김창오 연구박사, 김성 교수 및 성균관대 나노과학기술원 황의헌 교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도전연구)의 지원으로 수행되었다.

광검출 소자로는 현재 실리콘(Si)이나 인듐갈륨비소(InGaAs)가 널리 이용되나 딱딱하고 불투명해 접을 수 있는 투명한 광전자기기에 사용하기에 한계가 있었다. 때문에 원자단일층으로 얇아 투명도와 유연성이 높은 그래핀을 이용한 광검출소자 연구가 활발하나 아직 기존 소자에 비해 광반응 성능이 크게 떨어진다는 한계가 있었다.

▲ 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드형 광검출소자의 걔략도 및 띠 구

연구팀은 올 그래핀 p-n 수직접합 터널링 다이오드를 광검출소자에 적용하고 그 광반응 성능이 파장영역에 따라 기존 실리콘 소자 등과 비슷하거나 그 이상(0.4 ~ 1.0 A/W)임을 규명했다. 화학기상증착법으로 산화막 위에 성장, 전사시킨 그래핀에 각각 농도를 달리한 정공 또는 전자를 생성시키는 화합물질을 각각 도핑하여 p형 및 n형 그래핀을 제작하고 이를 수직으로 접합해 다이오드를 만들었다. 

이같이 높은 광반응 성능의 비결은 기존 수평접합과 달리 수직접합 구조로 접합거리를 줄였기 때문이다. 빛에 의해 그래핀에 생성된 전자와 정공의 수명시간에 비해 전극 간 이동시간이 짧아 한 개의 광자가 여러 개의 전자와 정공을 생성하기 때문이라는 해석이다.

한편 연구팀은 이러한 기술이 광검출소자 뿐 아니라 광전자소자인 LED, 태양전지 등으로도 응용될 수 있을 것으로 내다보고 있다.