선택적 파장 감응이 가능한 MoS2-Ge 이종 접합 구조의 광대역 광검출기

Abstract

요약 최근, 자율주행, 드론 기술의 발전에 따라 다양한 파장에 대한 센서 기술의 필요성이 높아지고 있다. 단일 파장의 포토디텍터를 복합적으로 구성하여 사용하는 것은 소자간 crosstalk을 발생시키며, 구성 회로를 필요로 하여 집적도가 떨어지게 된다. 광 대역 포토디텍터를 제작하는 몇 가지 방식이 있는데, 서로 다른 밴드 갭을 갖는 물질을 적층 하여 수광 파장 대역을 넓히는 방식이 사용된다. 일반적으로, III-V 화합물 반도체를 기반으로 하여, 기판에 밴드 갭이 다른 물질을 성장시켜 제작하는 방식을 사용하는데, 기판과 성장시킬 물질의 격자 상수가 맞지 않으면 성장이 잘 되지 않는 문제가 발생하는 등 제조 공정의 한계를 초래한다. 이에 따라서 물질을 성장시키지 않고 적층 할 수 있는 다른 방식들이 활발히 연구되고 있다. Perovskite, BP(Black Phosphorus) 등 다양한 물질을 대상으로 하는 많은 연구가 진행되었는데, 본 논문에서 제시하는 소자는 전이 금속 칼코겐 화물 (Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)을 기반으로 한 포토디텍터이다. TMDC란, 전이금속 원자 하나와 칼코겐 원소의 공유 결합으로 이루어지는데 보통 MX2로 표기된다. X-M-X 단위층 형태로 적층되어 있고, 각 층사이에는 반데르발스 힘에 의한 약한 결합으로 이루어져 있어서 고성능의 막질을 유지하며 두께를 조절하는데 용이하다. 특히, MoS2는 상온에서 높은 전자이동도 (200cm2/Vs)와 높은 on/off 비율(108)을 갖는 전기적 특성이 뛰어난 전자 소자가 시연된 바가 있고, MoS2는 가시광 흡수층으로 사용하기 적절한 밴드갭 에너지 (단일층 MoS2의 밴드갭 에너지 1.9eV, 벌크 MoS2의 밴드갭 에너지 1.2eV)를 가지며, 높은 광 흡수율 (monolayer MoS2¬= 2.8*106cm-1, bulk MoS¬2= 0.13*106cm-1)을 보여 광전 소자의 흡수층으로도 사용하기 용이하다. 본 논문에서는 SWIR(Short-wave Infrared) 흡수하는 Ge에 가시광 대역의 흡수층으로 MoS2를 적층하여 가시광-적외선 영역의 광대역 광 소자를 제작하였다. 또한, MoS2와 Ge 계면에서의 에너지 밴드를 확인하여 파장에 따른 광 반응에 대한 동작 원리를 확인하였고, 2D/3D 이종 접합 구조에서 파장을 선택적으로 검출할 수 있음을 제시하였다. 제작한 소자는 -4V~4V 구간에서 가시광에서 적외선까지 다양한 파장(406nm, 520nm, 638nm, 850nm, 940nm, 1550nm)을 조사하며 측정하였다. 소자가 반응하는 bias는 크게 -0.5V와 -3.5V로 나뉘는데, 파장이 길어질수록 -0.5V에서의 반응이 크고, 파장이 짧을수록 -3.5V bias에서 반응이 컸다. 가시광 대역 파장과 적외선 대역 파장 각각 최대 광 반응도는 -3.5V에서 406nm 파장이 2003.74A/W, -0.5V에서 1550nm 파장이 1.47A/W로 높은 수치를 보였다. 가시광 대역 빛의 광 반응과 적외선 대역 빛의 광 반응에 대한 동작 원리는 서로 다르다. 적외선 대역의 빛은 Photovoltaic mode로 동작하여, 빛이 active area에 흡수되었을 때, 흡수된 광자가 Ge 영역에서 전자와 정공으로 나뉘고, 내부 전기장에 의해 이동하여 전류에 기여하게 된다. 흡수된 광자가 직접적으로 전류에 기여하기 때문에 Rising time/Falling time은 광자의 흡수에 좌우되기 때문에 다른 광 흡수 메커니즘에 비하여 상대적으로 짧고, Gain이 크지 않다. 반면, 적외선 대역의 빛은 Photoconductive mode로 동작하는데, 이는 높은 bias가 걸린 상황에서 빛이 활성층에서 흡수된 이후 MoS2와 Ge 사이의 Trap을 활성화시키고, 이에 따라 전류 레벨이 증가한다. Trap을 거쳐 동작하기 때문에 Rising Time/Falling time이 Photovoltaic mode로 동작할 경우에 비하여 상대적으로 길고, 흡수된 광자가 활성시킨 Trap에 의해 높은 Gain을 가질 수 있다. 이러한 현상은 MoS2와 Ge 간의 이종 접합에 의해 발생하는 에너지 장벽에 기인한다. 낮은 역전압(-0.5V~0V)에서, 적외선 빛을 흡수하는 p-Ge은 electron potential barrier가 0.03eV로, 상온에서 Thermionic emission에 의해 넘어갈 수 있을 수준로 작아 흡수한 빛이 전류에 기여하는데 큰 영향을 미치지 않는 반면에, 가시광 빛을 흡수하는 n-MoS2는 0.34eV의 비교적 hole potential barrier가 존재하여 hole의 이동을 막는다. 이에 따라서, MoS2에 흡수된 빛은 전류에 크게 기여하지 못한다. 대조적으로 높은 역전압(-3.5V)에서는, p-Ge에서 적외선 빛이 흡수되어 발생한 electron-hole pair는 낮은전압과 동일한 방식으로 흡수되지만, 상대적으로 높아진 dark current에 의해 보이지 않는다. 높은 전압을 건 상태로, n-MoS2에서 가시광 빛이 흡수되어 발생한 electron-hole pair는 bias에 의해 넓어진 depeletion region에 따라 이동한다. Hole은 hole potential barrier에 의해 모이게 되고, MoS2의 밴드가 굽게된다. 이에 따라 Trap에 의해 tunneling 하여 Ge로 이동한다. 이러한 방식으로 발생시킨 Trap을 통해 이동하는 캐리어는 Trap에서 빠져나오는 시간이 필요하여, 상대적으로 회복하는데 긴 시간을 갖는다. 이러한 두가지 동작 방식을 이용한 포토디텍터를 통해 하나의 디바이스에서 여러 파장을 선택적으로 검출할 수 있다. 또한, 이와 같은 방식으로 2D/3D 이종 접합 소자는 Lattice match 등 기존 3D 이종 접합 구조에서 발생하는 공정의 한계를 넘어, 2D/3D 소재의 조합을 통해 다양한 파장을 검출하는 포토디텍터를 제작할 가능성을 보인다.