KAIST “韓-美 공동연구팀 ‘초박막 광다이오드’ 개발”

한국-미국 공동연구팀이 차세대 고해상도 이미지 센서 기술을 개발했다. 개발한 기술은 기존 센서 대비 전력 효율이 높고, 크기가 작은 고성능 이미지 센서를 구현할 수 있다. 특히 기존에 일본 기업인 소니(Sony)가 주도해 온 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지 센서 기술의 원천기술을 확보해 향후 시장 진입 가능성이 큰 것으로 공동연구팀은 내다본다.

KAIST는 전기및전자공학부 김상현 교수팀이 인하대, 미국 예일대와 공동연구를 진행해 초박형 광대역 광다이오드(PD)를 개발했다고 20일 밝혔다.

(왼쪽부터) KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수, 인하대 금대명 교수, 예일대 임진하 박사후 연구원. KAIST 제공

우선 공동연구팀은 광다이오드의 기존 기술에서 나타나는 흡수층 두께와 양자 효율 간 상충관계를 개선해 1㎛ 이하의 얇은 흡수층에서도 70% 이상의 높은 양자 효율을 달성했다.

흡수층이 얇아지면 화소 공정이 간단해져 높은 해상도 달성이 가능하다. 또 캐리어 확산이 원활해져 광캐리어 획득에 유리하고, 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

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하지만 일반적으로 흡수층이 얇아지면 장파장의 빛의 흡수가 줄어드는 문제에 부딪힌다. 공동연구팀은 이러한 문제를 개선해 기존 기술의 흡수층 두께를 70%가량 줄이는 데 성공했다.

공동연구팀은 도파 모드 공명(GMR·전자기학에서 사용하는 개념으로 특정 파동(빛)이 특정 파장에서 공명(강한 전기·자기장 형성)하는 현상) 구조를 도입했을 때 400㎚~1700㎚ 사이의 넓은 스펙트럼에서 고효율의 광 흡수를 유지할 수 있다는 사실도 입증했다.

이 파장 대역은 가시광선 영역뿐만 아니라 단파 적외선(SWIR) 영역까지 포함해 다양한 산업적 응용에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

단파 적외선 영역에서의 성능 향상은 차세대 이미지 센서의 개발에 새로운 전환점이 될 수 있다. 특히 도파 모드 공명 구조는 상보적 금속산화물 반도체(CMOS) 기반의 신호 판독 회로(ROIC)와의 하이브리드 집적, 모놀리식 3D 집적으로 해상도 및 기타 성능을 높일 가능성을 가진다.

공동연구팀은 저전력 소자 및 초고해상도 이미징 기술이 디지털카메라, 보안 시스템, 의료 및 산업용 이미지 센서 응용 분야부터 자동차 자율 주행, 항공 및 위성 관측 등 미래형 초고해상도 이미지 센서 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

김상현 KAIST 교수는 "공동연구팀은 이번 연구로 초박막 흡수층에서도 기존 기술보다 훨씬 높은 성능을 구현할 수 있음을 입증했다”며 "특히 세계 시장에서 소니가 주도하는 초고해상도 단파적외선(SWIR) 이미지 센서 기술에 대한 원천 기술을 확보함으로써 향후 시장 진입도 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐다. 연구 논문에는 인하대 금대명 교수(前 KAIST 박사후 연구원)와 임진하 박사(現 예일대 박사후 연구원)가 공동 제1저자로 이름을 올렸다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr