물리학과 김지희 교수 연구팀은 이차원 나노소재의 전극 공정(전극의 제조 및 처리) 방법을 제어해 근적외선 파장에서 흡수율 70% 증폭을 실현함으로써 고성능 근적외선 광검출기를 만드는 새로운 방안을 제시했다.

‘광검출기’는 광(光) 신호를 감지하고 측정하는 장치로, 고성능일수록 안정적이고 정확한 광 신호를 측정해 중요한 데이터를 제공함으로써 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다. 

연구팀은 이차원 나노소재의 밴드갭(고체 물질의 전자 에너지 대역폭에서 발생하는 에너지 간격) 이하의 빛 흡수를 제어해 고효율 적외선 광검출기 제작의 새로운 대안을 선보였다. 광소자 제작에 필요한 금속전극의 증착속도를 조절하는 간단한 방법을 통해 빛 흡수 제어가 가능함을 규명한 것이다(상단 그림 참고). 연구팀은 이 공정 과정을 대면적으로 성장 가능하고 안정한 이차원 물질 중 하나인 이화황몰리브덴(MoS₂)에 응용해 광통신 파장 영역에서의 고성능 광검출을 실현했다. 

이 같은 연구 결과는 ‘Engineering electrode interfaces for telecom-band photodetection in MoS₂/Au heterostructures via sub-band light absorption(MoS₂/Au전극 인터페이스 엔지니어링을 통한 서브 밴드 광 흡수 및 텔레콤 대역 광 검출기)’ 제하의 논문으로 광학 분야의 세계적 학술지 『Light: Science & Applications』 2023년 11월 23일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41377-023-01308-x 

전이금속 디칼코게나이드(trasition metal dichalcogenides)는 독특한 전기적·광학적·기계적 특성과 유연성을 보유해 고감도 광검출기에 대한 유망한 후보군으로 알려져 있다. 그중 MoS₂는 높은 안정성, 큰 전하이동도, 강한 빛-물질 상호작용이 가능하며, 밴드갭이 없는 그래핀과 달리 단일층에서도 밴드갭이 존재해 실리콘을 대체할 수 있다는 기대감으로 주목받는 반도체 신소재다.

MoS₂는 가시광선 영역의 흡수가 뛰어나지만, 근적외선 영역에서는 흡수가 미미해 적외선 광전소자로의 적용이 제한적이었다. 반면, 흑린 등과 같이 적외선 영역의 흡수가 뛰어난 이차원 소재들은 안정성에 문제가 있다. 이 같은 이유들로 인해, 현재 학계에서는 이차원 물질을 기반으로 한 안정적인 근적외선 검출을 위한 뚜렷한 대안이 부족해 새로운 접근 방법이 필요하다고 보고 있다. 이런 가운데, 연구팀이 MoS₂와 금(Au) 전극 간의 균형된 상호작용을 통해 넓은 파장 범위에서 고감도의 적외선(IR) 광검출이 가능한 새로운 접근법을 발견해 다양한 응용에 대한 기대감이 커지고 있다.

이번 연구에서는 이차원 반도체 물질을 이용해 소자를 만들 때 꼭 필요한 전극증착방법에 대한 엔지니어링을 통해 문제를 극복하고, 근적외선 영역에서의 고감도 및 빠른 응답 속도를 동시에 제공하는 새로운 방법을 제시했다. 

이를 통해 금속전극의 증착속도를 조절함으로써 전극과 반도체 물질 사이 계면 상태를 제어할 수 있었다. 이때, 계면 상태에 따라 MoS₂ 밴드갭 내부에 중간갭 상태(midgap state)가 생성되고 적외선 대역의 흡수가 가능하다. 또한, MoS₂와 Au 전극에 만들어지는 유사 파브리-패로트 캐비티(Fabry-Perot cavity)를 이용해 적은 양의 적외선 흡수를 증폭했고, MoS₂의 서브 밴드갭인 800~1600nm 파장 범위에서 최대 70%까지 높은 적외선 흡수율을 달성했다. 

※ 파브리-패로트 캐비티(Fabry-Perot cavity): 광학 장치로, 두 개의 반사판 사이에 광파가 여러 번 반사되고 간섭을 일으키는 광학 공명 구조를 가짐. 광학 필터, 레이저, 광섬유 등 다양한 광학 시스템에 사용됨.

특히, MoS₂의 두께를 조절해 적외선 영역에서 흡수 파장 제어가 가능하다는 점도 주목할 만하다. 이렇게 간단한 금속전극 증착공정만으로도 MoS₂ 물질에서의 근적외선(NIR) 광검출의 가능성을 입증한 연구팀은 자체 제작한 소자의 특성 실험 결과로, 광통신 파장 영역인 1310nm 및 1550nm에서 35mA/W 및 17mA/W의 높은 광응답률 및 140~150μs의 빠른 응답 속도를 달성했다(그림 2). 해당 기술은 MoS₂뿐만 아니라 WS₂, MoSe₂, WSe₂와 같은 다양한 2D 소재에서도 적용 가능한 것으로 나타났다.

※ WS₂(텅스텐 디설파이드), MoSe₂(몰리브덴 디셀레나이드) , WSe₂(텅스텐 디셀레나이드): 이차원(2D) 소재로서, 트랜지스터 및 나노전자기기 등의 분야에서 주목받고 있는 물질. 우수한 전자적·광학적 특성을 지님.

교신저자로 연구를 수행한 김지희 교수는 “전이금속 디칼코제나이드 소재와 금 전극 간의 인터페이스 엔지니어링을 통해 적외선 광검출의 혁신적인 방법을 발견했다”며 “이 방법은 환경 모니터링, 원격 감지, 의료 진단과 같은 분야에서의 응용 가능성을 높일 것으로 기대된다. 특히, 기존에 광전소자 제작에 일반적으로 사용되던 증착 방법을 이용하는 점과 여러 가지 다양한 이차원 물질에도 응용 가능하다는 보편성으로 인해 더욱 쉽게 광전자소자 제작에 응용될 수 있을 것으로 전망된다”고 말했다.

* 상단 이미지: 금속전극 증착 과정 중 전극 계면에서의 결함 발생으로 인한 물질 흡수 변화.

[Abstract]

Transition metal dichalcogenide (TMD) layered semiconductors possess immense potential in the design of photonic, electronic, optoelectronic, and sensor devices. However, the sub-bandgap light absorption of TMD in the range from near-infrared (NIR) to short-wavelength infrared (SWIR) is insufficient for applications beyond the bandgap limit. Herein, we report that the sub-bandgap photoresponse of MoS₂/Au heterostructures can be robustly modulated by the electrode fabrication method employed. We observed up to 60% sub-bandgap absorption in the MoS₂/Au heterostructure, which includes the hybridized interface, where the Au layer was applied via sputter deposition. The greatly enhanced absorption of sub-bandgap light is due to the planar cavity formed by MoS₂ and Au; as such, the absorption spectrum can be tuned by altering the thickness of the MoS₂ layer. Photocurrent in the SWIR wavelength range increases due to increased absorption, which means that broad wavelength detection from visible toward SWIR is possible. We also achieved rapid photoresponse (~150 ?s) and high responsivity (17 mA W-1) at an excitation wavelength of 1,550 nm. Our findings demonstrate a facile method for optical property modulation using metal electrode engineering and for realizing SWIR photodetection in wide-bandgap 2D materials.

* Reference

- Paper Title: Engineering electrode interfaces for telecom-band photodetection in MoS₂/Au heterostructures via sub-band light absorption

- Corresponding Author(Pusan National University): Ji-Hee Kim (Department of Physics)

- URL: https://doi.org/10.1038/s41377-023-01308-x