"레이저 한 번 쐈더니 접합 완성"…2차원 반도체 광검출기 성능 높였다[과학을읽다]

복잡한 적층·전사 공정 없이 SnS₂ 내부에 직접 에너지 장벽 형성
유연 센서·이미지 센서·집적 광전자소자 응용 기대

대구경북과학기술원(DGIST)이 단 한 번의 레이저 조사만으로 2차원 반도체 내부에 빛-전기 변환 효율을 높이는 접합 구조를 구현하는 기술을 개발했다. 복잡한 적층·전사 공정 없이 고성능 광검출기를 제작할 수 있어 차세대 유연 센서와 이미지 센서 개발에 활용될 전망이다.

DGIST는 권혁준 전기전자컴퓨터공학과 교수 연구팀이 2차원 반도체 소재인 주석 이황화물(SnS₂)에 레이저를 직접 조사해 고성능 광검출기를 구현하는 공정 기술을 개발했다고 밝혔다.

레이저 유도 산소 엔지니어링 기반 이황화물(SnS₂) 호모접합 형성 모식도. SnS₂ 일부 영역에 레이저를 조사하면 산소가 도입되며 비처리 영역과의 사이에 에너지 장벽이 형성된다. 이 구조는 빛으로 생성된 전하를 빠르게 분리해 광전류 성능을 높인다. 연구팀 제공

광검출기(포토디텍터)는 빛을 전기 신호로 바꾸는 핵심 소자로, 이미지 센서와 광통신, 사물인터넷(IoT), 유연 전자기기 등에 폭넓게 활용된다. 특히 2차원 반도체는 원자층 수준의 얇은 두께와 높은 유연성으로 차세대 광전자 소재로 주목받고 있다.

다만 기존 2차원 반도체 기반 광검출기는 서로 다른 소재를 층층이 쌓거나 옮겨 붙여 접합을 만드는 방식이 일반적이었다. 이 과정에서 공정이 복잡하고 계면 오염이나 결함이 발생하기 쉽다는 한계가 있었다.

레이저 한 번으로 접합 형성…"적층 없이도 고성능 구현"

연구팀은 하나의 SnS₂ 플레이크 일부 영역에만 532nm 연속파 레이저를 조사해 접합을 형성하는 방식을 제안했다. 레이저가 조사된 영역에서는 황(S) 성분 일부가 빠져나가고 산소가 결합하면서 표면 일부가 산화 주석(SnOx) 계열 구조로 변했다. 동시에 두께 감소와 화학 조성 변화가 함께 일어나 비처리 영역과의 사이에 자연스럽게 에너지 장벽이 형성됐다.

권혁준 DGIST 전기전자컴퓨터공학전공 교수(왼쪽)와 이지은 석박사통합과정생(제1저자). DGIST 제공

연구팀은 원자힘현미경(AFM), X선 광전자분광법(XPS), 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM) 분석 등을 통해 레이저 처리 후 산소 도입과 Sn-O 결합 형성, 국소 구조 재배열 등을 확인했다. 또 레이저 처리 영역과 비처리 영역 사이에서 약 0.7eV의 일함수 차이가 발생하며 내장 전기장이 형성된다는 점도 검증했다.

이렇게 형성된 내장 전기장은 빛에 의해 생성된 전자와 정공을 빠르게 분리해 재결합을 억제하고 광전류 응답을 높이는 역할을 한다.

연구팀이 제작한 광검출기는 기존 소자보다 빛에 반응하는 속도가 크게 향상됐으며, 미세한 빛까지 감지할 수 있는 고감도 특성을 나타냈다. 특히 빛을 전기 신호로 변환하는 효율이 높아 차세대 이미지 센서와 유연 광전자소자 적용 가능성을 보여줬다.

연구팀은 별도의 고온·고진공 공정이나 습식 화학처리 없이 레이저만으로 기능성 접합을 직접 구현했다는 점에 의미가 있다고 설명했다. 특히 마스크 없이 원하는 위치만 선택적으로 가공할 수 있는 비접촉 공정이라는 점에서 대면적 이미지 센서와 고집적 광전자소자 플랫폼으로의 확장 가능성도 기대된다.

권혁준 교수는 "복잡한 제조 과정 없이 레이저만으로 2차원 반도체 내부에 빛을 전기로 바꾸는 최적 환경을 직접 만들 수 있음을 증명한 연구"라며 "향후 고성능 광검출기와 투명·유연 광센서 등 다양한 산업 분야로 확장 가능한 실용적 공정 기술이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 이지은 DGIST 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 광학 분야 국제학술지 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials)' 2026년 5월호에 게재됐다. 과학기술정보통신부 개인기초연구사업(중견), 이노코어 프로그램, 교육부 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr