지스트(GIST, 광주과학기술원, 총장 김기선)는 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀이 차세대 반도체 소자를 개발하는 데 성공했다고 18일 밝혔다.
송 교수 팀은 단일물질로 구성된 매우 단순한 형태인 필름형 적층 구조(Tamm 플라즈몬 구조)를 이용해 근적외선 영역에서 선택적 흡수가 가능할 뿐 아니라 협대역의 고흡수율을 갖는 차세대 반도체 소자를 개발했다. Tamm 플라즈몬 구조(Tamm plasmon structure)는 서로 다른 유전체층이 주기적으로 적층된층과 금속층이 결합된 형태를 말한다. 두 층 계면에서 빛의 강한 흡수가 일어난다. 이번 연구는 Tamm 플라즈몬 구조를 통해 근적외선 영역에서 향상된 광학적 특성을 활용했다.
기존 반도체 소자는 높은 흡수율과 협대역의 우수한 성능을 위해 수십~수백 나노미터 수준의 복잡한 형태로 구성된 광 구조로 개발돼 왔다. 이런 구조는 고비용의 복잡한 제작과정이 요구될 뿐 아니라 대면적의 소자를 구성하기 어려워 실제 상용제품에 활용되기 힘들다는 한계가 있다.
이런 제작 방법과 복잡성을 극복하기 위해 최근 단순한 필름형태의 반도체 소자인 Tamm 플라즈몬 구조가 개발되어왔으나, 대부분 일반적인 재료를 사용, 이는 광학 설계 한계점으로 작용, 100% 흡수율을 달성하기 어려웠다. 연구팀이 개발한 단일 물질 기반 Tamm 플라즈몬 구조는 물질에 다공성을 부여해
자유롭게 물질 특성을 변조했고, 결과적으로 완벽한 흡수에 가까운 99% 이상의 흡수율을 보였다고 지스트는 설명했다.
지스트 송영민 교수는 "기존 반도체 소자의 구조적 복잡성과 성능 한계를 극복하고, 물질 특성을 조절해 하나의 재료만으로 고흡수율을 구현하는 구조 설계법을 개발했다"며 "이 기술을 접목해 광 흡수와
방사를 기반으로 하는 태양전지, 수동 복사 구조 등 다양한 광학소자에 응용할 수 있을 것으로 기대한다"고 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, IF: 9.926)에 1월 10일 온라인으로 게재됐다.
