본문 바로가기 사이드메뉴 바로가기 주메뉴 바로가기

주메뉴영역

주메뉴영역

혁신으로 세상을 바꾸는 융복합 대학, DIGIST
Innovative University Changing the World through Convergence
이 페이지를 SNS로 퍼가기

Research

태양전지 개발에 획기적인 지표가 될 광전류 발생 위치 규명

  • 조회. 489
  • 등록일. 2020.10.28
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 이종수 교수 연구팀, 이차원 이종접합 포토트랜지스터를 이용해 광전류 생성 위치 및 노이즈 전류 생성 원인 규명 성공
- 기존 단일구조 소자 여러 개를 연결한 '삼중구조' 포토트랜지스터를 이용한 새로운 방식의 연구 진행해

 
관련사진1.DGIST 에너지공학전공 이종수 교수(우), 정민혜 석박통합과정생(좌)
DGIST 에너지공학전공 이종수 교수(우), 정민혜 석박통합과정생(좌)

 

 DGIST 에너지공학전공 이종수 교수 연구팀은 빛을 전류나 전압으로 변환하는 포토트랜지스터에서의 새로운 이종접합 구조를 개발하고, 이를 이용해 광(光)전류 생성 위치와 노이즈1) 전류 생성의 원인을 규명했다. 이번 연구는 향후 태양전지 및 다양한 광전류 생성 소재 및 소자 연구에 중요한 지표를 제공할 것으로 기대된다.

 이차원 물질은 물질을 구성하는 원자들이 마치 종이처럼 얇게 하나의 층으로만 구성돼 있는 물질을 뜻한다. 그 중에서도 ‘전이금속 디칼코게나이드(TMDC)’는 우수한 물리적 성질과 전기적 특성을 지닌 차세대 반도체 물질로, 포토트랜지스터 제작 응용과 관련해 많은 관심을 받고 있다. 하지만 광전류 생성 원리 및 전하 균형 최적화 등 다양한 조건을 만족해야 한다.

 이에 이 교수 연구팀은 광전류 생성에 충분한 에너지 확보를 위해 서로 다른 세 종류의 TDMC를 붙여 새로운 구조의 포토트랜지스터를 개발했다. 개발된 포토트랜지스터는 양극의 텅스텐 디셀레나이드(p‐WSe2), 음극의 이황화텅스텐(n‐WS2)과, 이황화몰리브덴(n‐MoS2) 세 종류의 TDMC를 접합된 이종접합 포토트랜지스터로, 이 교수 연구팀은 개발한 포토트랜지스터를 이용해 광전류가 생성되는 정확한 위치 분석과 전류량 측정 연구를 진행하는데 성공했다. 

 이 교수 연구팀은 실시간 광전류 매핑시스템을 자체 개발해 광전류 생성의 정확한 위치를 정확하게 분석할 수 있도록 했다. 또한, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따라 플리커 노이즈와 샷 노이즈의 원인 분석 연구도 함께 진행했는데, 이는 연구가 부진했던 노이즈 측정법 연구를 통해 새로운 측정방식을 제안해 그 의미가 깊다고 할 수 있다.

 이처럼 이번 연구는 향후 2차원 소재 및 하이브리드 소재를 이용한 태양전지, 광센서, 전계발광소자 개발에 필요한 광전류 생성 원리와 위치 등을 정확히 규명·추적했다는데 그 의미가 깊다. 이를 통해 향후 고효율 광전소자 개발에 중요한 지표를 제공할 것으로 기대된다.

 DGIST 에너지공학전공 이종수 교수는 “이차원 TMDC 소재의 우수성을 잘 활용하면 새로운 물성 확보 및 소자특성을 개선한 전자 및 광전소자 개발이 가능할 것이라는 생각에 연구를 시작하게 됐다”며 “아직은 실용화를 위해 다양한 연구가 추가적으로 필요한 상황이라 계속해서 연구에 집중해나갈 예정”이라고 말했다.

 한편, 이 연구는 DGIST 에너지공학전공 나현수, 정민혜 석박통합과정생이 공동 주저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견후속과제 및 DGIST Pre-CoE 연구과제 지원하에 수행됐다. 연구결과는 재료과학, 물리학 분야의 최고 분야지중의 하나인 Advanced Science에 8월 18일(화) 게재됐다. 

1) 노이즈(Noise): 원하는 신호의 전송 및 처리를 방해하는 원치 않는 신호로써 정보를 포함하고 있지 않는 신호의 일종.

 

 연구결과개요     

Probing the Importance of Charge Balance and Noise Current in WSe2/WS2/MoS2 van der Waals Heterojunction Phototransistors by Selective Electrostatic Doping
(Hyun-Soo Ra, Min-Hye Jeong, Taegeun Yoon, Seungsoo Kim, YoungJae Song, and Jong-Soo Lee* 
(Advanced Science, 18th August 2020)

 

 최근 이차원물질인 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC)는 우수한 물성과 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자 및 광전소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고효율의 TMDC 기반의 광전 소자를 위하여 광전류 생성 및 전하 균형을 최적화해야하며, 낮은 암전류를 생성하기 위하여 이상적인 전하 고갈 조건이 필요하다. 그러나, 단일 TMDC의 광전류 생성은 높은 엑시톤 결합에너지(~0.897 eV)로 인해 엑시톤을 분할하기에 충분한 에너지가 없기 때문에 제한적이다. 이러한 고유한 문제를 해결하기 위하여, 소자의 활성 채널영역에 서로 다른 n형 및 p형 반도체의 이종 접합 구조를 생성하여 내부 전위를 조절하는 방법을 도입하였다. 광전소자에서는 광전류 및 노이즈의 원인을 체계적으로 파악하여 반응도(AW-1), 검출도(D*, cmHz1/2W-1)와 같은 광검출기 성능 지수를 극대화하는 것이 중요하지만, 현재까지 내부 전위가 광전류 생성 효율에 미치는 영향과 플리크 노이즈 및 샷 노이즈가 성능지수에 미치는 영향은 정확히 밝혀지지 않았다.
 이 연구에서는 광전류 생성 및 노이즈의 원인을 규명하고자 p‐WSe2/n‐WS2/n‐MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 포토 트랜지스터를 구현하였으며, 이종접합 트랜지스터의 p-n 및 n-n 접합은 게이트 바이어스를 WS2 레이어에만 선택적으로 인가되도록 하여 주요 전하 캐리어의 농도를 제어하도록 설계하였다. 또한, 얇은 육각형-BN (h-BN) 층을 유전체로 사용하여 유전체 트랩과 작동 게이트 전압을 최소화하였다. 광전류 매핑시스템을 이용하여 게이트 바이어스의 따른 전하 캐리어의 밀도와 광전류 생성의 위치를 실시간으로 정확하게 분석하였으며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 플리커 노이즈와 샷 노이즈의 원인을 확인하였다. 최적의 전하 농도에 도달했을 때, 빠른 시간분해 광전류 응답(<10ms), 높은 응답성(~106 AW-1) 및 높은 검출도(D*, ~1015 cmHz1/2W-1)를 갖는 소자를 증명하였다.  DOI : 10.1002/advs.202001475

 


 연구결과문답     

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
이번 연구에서는 포토트랜지스터의 광전류 생성 및 노이즈 전류의 원인을 명확하게 규명하기 위해 p‐WSe2/n‐WS2/n‐MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 포토 트랜지스터를 구현하였다. 자체 제작한 광전류 매핑시스템을 이용하여 소자에 인가된 게이트 전압에 따른 선택적으로 전하 농도를 제어하고 광전류 생성의 위치를 정확하게 분석할 수 있는 방법을 개발하여 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따라 플리커 노이즈와 샷 노이즈의 원인을 규명하였다. 최적의 전하 농도에 도달했을 때, 빠른 시간분해 광전류 응답(<10ms), 높은 응답성(~106 AW-1) 및 높은 검출도(D*, ~1015 cmHz1/2W-1)를 갖는 소자를 증명하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
2차원 소자뿐만 아니라 박막기반소자 및 양자점 소자의 광전류 형성 및 노이즈 전류의 원인을 명확히 규명할 수 있고 전하농도를 선택적으로 제어할 수 있는 기술로서 하이브리드 광전소자뿐만 아니라 2차원 소재를 이용한 고효율 태양전지, 광센서, 발광소자 개발에 중요한 역할을 할 수 있다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
TMDC기반의 소재 및 소자는 실용화까지는 아직 시간이 많이 필요할 것으로 판단되며, 실용화를 위해서는 고품질의 대면적 TMDC 성장기술뿐만 아니라 소자구조, 전극, p-n junction 구현 및 전하이동도 이해등 기초적인 연구 및 응용연구가 추가적으로 필요할 것이다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
이차원 TMDC소재의 우수한 전하이동도와 구조의 안정성 및 두께에 따른 밴드갭 제어의 장점과 입자의 크기와 모양에 따라 흡광 및 발광파장의 제어가 가능한 양자점을 하이브리드화 하면 새로운 물성과 소자특성을 획기적으로 개선되는 전자 및 광전소자 개발이 가능할 것이라는 아이디어에서 연구를 시작하게 되었다. 연구를 진행하는 중 전하의 농도 및 광전류 생성위치 및 원리를 명확히 이해할 필요가 있어 본 연구에서 체계적으로 2차원 소자의 광전류 형성 및 노이즈 전류 형성 메커니즘 분석을 위한 연구를 실시한 계기가 되었다.  

Q. 어떤 의미가 있는가?
이번 연구에서는 포토트랜지스터의 광전류 생성의 위치를 정확하게 분석할 수 있는 방법을 개발하여 게이트 전압을 선택적으로 인가하여 전자와 정공 사이의 전하 균형을 조절하여 플리커 노이즈와 샷 노이즈의 원인을 규명할 수 있는 방법을 제시하였다. 이러한 연구결과는 향후 2차원 소재및 하이브리드 소재를 이용한 태양전지, 광센서, 전계발광소자 개발에 있어 중요한 지표를 제공할 수 연구이다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구성과를 기반으로 이차원 TMDC소재를 이용한 우수한 특성을 가지는 전자 및 광전소자를 개발하고 싶으며 또한 입자의 크기와 모양에 따라 흡광 및 발광파장의 제어가 가능한 양자점을 하이브리드화 하여 고기능성 광센서 및 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 2차원기반의 전계발광 소자를 개발하고자 한다. 


 그림설명    

[그림 1] 연구팀이 구현한 소자 회로도 및 레이저에 의한 광전류 매핑

연구팀이 구현한 소자 회로도 및 레이저에 의한 광전류 매핑

(그림설명) 
(a) 이빔리소로 패턴된 전극 위에 h-BN, p‐WSe2/n‐WS2/n‐MoS2 접합을 형성한 소자의 모식도이다. h‐BN을 통한 게이트 전계 효과는 WS2 층에만 영향을 미치며, 소스 및 드레인 전극은 MoS2 및 WSe2 에 형성하였다.
(b) 게이트 바이어스(-1.5 ~0.5 VG)와 드레인 바이어스(-1~1 VD)에 따른 전류로 광전효과에 대한 매커니즘을 이행하기 위해서 3가지 천이 영역으로 분할하며, Zone-I는 pn 접합이며, VOC는 유지되며, Zone‐II는 VOC가 축소 되는 일시적인 영역이다. 그리고 Zone‐III는 VOC가 사라진 n–n 접합을 포함한다.
(c) p–n 접합과 n–n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 따라 광전류 매핑을 수행하였으며, pn 접합 영역의 Zone-I은 광기전효과(photovoltaic effect)에 의해 발생하는 광전류(1.9–1.5nA, 파란색)를 생성하고 광전도 효과(photoconductive effect)에 의해 유도된 광전류 (1nA 미만, 녹색)는 접촉 선에서 생성되었다. 반면에 n-n 접합 영역의 Zone‐III의 경우 약한 공핍 효과로 인해 p-n 접합의 광전류 보다 낮은 광전류를 보여준다. 이는 낮은 광전류가 전자 추출에 효과적이지만, 정공 추출은 p-n 접합에 비해 충분하지 않다는 것을 의미한다. 따라서, 소자의 주광전류는 적용된 게이트 전압에 의해 제어 될 수 있음을 입증하였다.

 

[그림 2] 게이트 바이어스에 따른 전하 균형영역에 따른 노이즈 특성 평가

게이트 바이어스에 따른 전하 균형영역에 따른 노이즈 특성 평가

(그림설명) 
(a) p–n WSe2 –WS2 접합 다이오드 및 (d) n–n WS2 –MoS2 접합 다이오드에서 플리커 노이즈 전류의 변화를 보여주며, 암전류는 샷 노이즈 및 플리커 노이즈 전류로 변환 될 수 있다. 
(c) 플리커 노이즈와 샷 노이즈 전류를 게이트 바이어스에 따른 함수로 비교하며, 1 Hz에서 플리커 노이즈 전류를 추출하였으며, 플리커 노이즈의 크기는 10-10의 낮은 암전류 범위에서 샷 노이즈보다 10배 더 높은 것을 확인 할 수 있다. 암전류가 증가 함에 따라 플리커 노이즈 전류가 점차적으로 샷노이즈 보다 1000배 이상 증가한다.
(f) 반면, n-n 접합 다이오드의 암전류는 (6×10-11A)는 p-n 접합 다이오드의 암전류(2×10-12)보다 훨씬 높으며, n-n 접합의 정류 비율이 좋지 않기 때문이다. 따라서, 최적의 전하 농도에 도달했을 때, 빠른 시간분해 광전류 응답(<10ms), 높은 응답성(~106 AW-1) 및 높은 검출도(D*, ~1015 cmHz1/2W-1)를 갖는 소자를 증명하였다.

 

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   홍보팀 ㅣ 053-785-1135