지스트(광주과학기술원) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀이 단순한 공정으로 높은 근적외선 흡수율을 갖는 차세대 반도체 소자를 개발했다.

연구팀은 단일물질로 구성된 매우 단순한 형태인 필름형 적층 구조(Tamm 플라즈몬 구조)를 이용해 근적외선을 선택적으로 흡수하고, 좁은 대역에서 고흡수율을 갖는 차세대 반도체 소자를 개발했다.

Tamm 플라즈몬 구조는 서로 다른 유전체를 쌓은 층과 금속 층이 결합된 형태로, 주변 빛을 강하게 흡수하는 구조다.

기존 반도체 소자는 높은 빛 흡수율과 좁은 대역에서 흡수 성능을 끌어올리기 위해 수십 ~ 수백㎚ 수준의 복잡한 형태로 구성된 광 구조로 개발됐다. 이 구조는 제작 비용이 비싸고 만들기가 까다로워 실제 상용제품에 활용되기 힘들다는 한계가 있었다.

제작 방법을 단순화한 필름형태 반도체 소자인 Tamm 플라즈몬 구조가 대체재로 거론됐으나, 기존에 사용하던 재료로는 광학 설계상 한계가 있어 100%의 흡수율을 달성하기 어려웠다.

연구팀은 재료에 여러 개 구멍을 뚫어 자유롭게 물질의 특성을 변조했고, 99% 이상의 흡수율을 확보하는 데 성공했다. 또 웨이퍼 수준의 대면적 공정 구현에도 성공해 상용제품으로의 적용 가능성을 확인했다.

지스트 송영민 교수는 “기존 반도체 소자의 구조적 복잡성과 성능 한계를 극복하고, 물질 특성을 조절하여 하나의 재료만으로 고흡수율을 구현하는 구조 설계법을 개발하였다”며, “해당 기술을 접목하여 광 흡수/방사를 기반으로 하는 태양전지, 수동 복사 구조 등 다양한 광학소자에 응용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업, 나노 및 소재 기술개발사업, 학문 후속세대지원 과제, 지스트 GRI 및 정보통신기획평가원이 추진하는 IITP 과제로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 옵티컬 머트리얼즈(Advanced Optical Materials) 1월 10일자에 온라인으로 게재됐다.

/유연재 기자 yjyou@kwangju.co.kr