김지희 교수팀, 금속-반도체 계면에서 초고속 핫캐리어 추출 및 확산 최적화 기술 제안

부산대학교 물리학과 김지희 교수 연구팀은 이진용(성균관대학교) 교수팀과 공동으로 2차원 반도체와 금속 전극 간의 접촉 계면에서의 광여기된 핫캐리어(hot carrier) 동역학을 정밀하게 분석하며, 차세대 고효율 광전 변환 소자 설계를 위한 핵심 원리를 제시하였다. 이번 연구는 국제학술지 Science Advances (IF: 11.7, JCR 상위 8.21%)에 “Ultrafast hot carrier extraction and diffusion at the MoS2/Au van der Waals electrode interface”라는 제목으로 2025년 1월 1일(한국시간) 온라인 게재되었다.

금속 전극은 발광 다이오드, 광검출기, 태양전지와 같은 최첨단 광전자 소자에서 필수적인 요소로, 빛으로 여기된 핫캐리어를 효율적으로 추출하거나 주입하는 역할을 한다. 그러나 전극과 반도체 간의 밀접한 접촉이 필연적으로 계면에서 미드갭(midgap) 상태를 유발하고, 열 증착 및 스퍼터 증착 과정에서 방사열과 금속 원자 충돌로 인해 반도체에 결함이 형성될 가능성이 있다. 이러한 결함은 Shockley-Read-Hall(SRH) 재결합을 촉진하여 핫캐리어 수명을 단축시키고, 소자 성능 저하를 유발한다.

이를 해결하기 위해 연구진은 2차원 반도체 MoS2와 금(Au) 전극 간의 다양한 접합 구조를 비교 분석했다. 이번 연구에서는 직접 증착 접합(deposited-Au), 평탄면 접합(flat-Au), 그리고 거친 표면 접합(rugged-Au)의 세 가지 구조를 선정하고, 초고속 시분해 반사 분광법(transient reflection spectroscopy)을 활용해 핫캐리어 추출 속도 및 수명을 측정했다. 실험 결과, 평탄면 접합된 금 전극(flat-Au)에서 핫홀(hot hole) 추출 속도가 310 fs로 측정되었으며, 이는 기존의 직접 증착(deposited-Au) 방식보다 더 빠르고 효율적이었다. 또한, flat-Au 구조에서는 259 ps의 긴 포토캐리어 수명이 관찰되며, 핫캐리어 손실을 최소화하는 데 효과적인 것으로 나타났다.

핵심 기술 및 핫홀 추출 메커니즘

• 반데르발스(van der Waals) 접촉을 활용한 계면 최적화
• 평탄면 접합에서는 전극과 반도체 사이의 강한 화학 결합을 피하고, 반데르 발스 힘을 이용해 부드러운 접촉이 형성됨.
• 이를 통해 계면 결함을 최소화하고, 핫캐리어 재결합을 억제함.

• 초고속 핫홀 추출
• 평탄면 접합 구조에서는 전자가 금속 전극으로 빠르게 이동하며, 반도체 내부에 남아 있는 핫홀이 빠르게 추출됨.
• 연구진은 이를 통해 핫홀 추출 속도가 기존 방식 대비 빠르며(310 fs), 포토캐리어 손실을 줄일 수 있음.
• 광여기된 핫캐리어의 전이 효율 증가
• 800 nm 펌프 레이저 실험을 통해 평탄면 접합 구조에서 핫캐리어 전이 속도가 3배 이상 증가했으며, 이는 태양전지 및 광전자 소자에서 보다 높은 효율을 실현할 수 있는 핵심 요소임.

김지희 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체와 금속 전극 간의 계면에서 핫캐리어 동역학을 심층적으로 분석하여, 차세대 광전자 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 설계 방안을 제시합니다. 특히, 초고속 핫캐리어 추출 메커니즘은 핫캐리어 태양전지와 같은 초고효율 에너지 변환 기술의 핵심 요소가 될 뿐만 아니라 양자 컴퓨팅 및 양자 정보 기술에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다.”라고 전했다.

이어 “핫캐리어는 초고속 응답성과 높은 에너지 상태를 유지하는 특성이 있어, 양자 정보 저장/전송,광-전자 변환 효율 개선 등에 활용될 수 있습니다. 또한 인공 후각 센서에서도 핫캐리어를 활용하면 가스 감지 정밀도를 높이고 응답 속도를 개선할 수 있습니다.” 라며, “이번 연구가 광전자 소자, 양자 기술, 센서 기술 등 다양한 응용 분야에 기여할 것으로 기대합니다.”라고 덧붙였다.

논문: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1534