국내 연구진이 기존의 실리콘 반도체나 화합물 반도체보다 더 빠른 동작 속도와 더 우수한 에너지 효율을 가진 광소자를 제작할 가능성을 열었다. 

24일 이철호 고려대 KU-KIST 융합대학원 교수와 김필립 미국 하버드대 물리학과 교수 연구진은 이번 연구에서 수 원자층 두께의 2차원 물질을 수직으로 쌓아 얇은 반도체 p-n 접합을 구현하고, 소자의 전기적·광학적 특성 및 광전지 동작 원리를 밝혀냈다. 

기존 실리콘 반도체 p-n 접합의 경우 접합 면의 두꺼운 두께 탓에 소자 동작 속도가 제한되고 소자 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

하지만 연구진은 서로 다른 두 가지 종류의 2차원 반도체 전이금속 칼코겐 화합물을 수직으로 쌓아 p-n 접합의 두께를 기존 실리콘 반도체 접합 면의 100분의 1수준으로 줄임으로써 전자의 이동 거리를 최소화해 속도 및 효율을 향상시킬 수 있음을 밝혀냈다. 

또 실제 응용소자 개발 가능성을 열기 위해 전이금속 칼코겐 화합물과 구조적으로는 비슷하지만 전기적으로 금속성을 가진 단원자층 그래핀을 반도체 p-n 접합의 상하 수직면에 붙여 전극을 포함한 소자 전체의 두께를 원자 몇 개 수준으로 줄였다.  

이를 통해 빛에 의해 생성된 전자가 외부 전극으로 수집되는 속도와 효율을 획기적으로 개선해 초고속 광검출소자, 고효율 태양전지의 응용 가능성을 열었다.

이번 연구 결과는 세상에서 가장 얇은 반도체 p-n 접합을 실험적으로 구현하고 기존의 3차원 p-n 접합과의 근원적인 차이를 규명한 데 그 의의가 있다.

이철호 교수는 "반도체 기본 소자인 p-n 접합을 구현하고 새로운 동작 원리를 밝혔으니 향후 초고속·고효율 광전자소자 개발 및 신개념 투명 유연소자 응용 연구에 초석이 될 것"이라고 기대했다. 

이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노·소재기술개발사업의 제4세부 과제의 일환으로 수행됐다. 

연구 결과는 나노과학 분야의 세계적 국제학술지인 '네이처 나노테크놀로지'에 8월 11일 게재됐다.