POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)는 전자전기공학과 반도체 기술 융합센터(CSTC) 이병훈 교수, 유태진 박사 연구팀이 그래핀/p형 실리콘 접합구조를 이용해 고효율 포토디텍터를 제조하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.
 ▲ 도핑된 그래핀-실리콘 광센서 모식도 (C) 포스텍 |
특히, 그래핀을 미리 도핑하는 간단한 방법만으로 검출도와 암전류 특성을 쉽게 개선하는 것이 주목할만한 결과이다. 이번 성과는 국제학술지 '레이저 앤드 포토닉스 리뷰즈(Laser & Photonics Reviews)‘ 16일자에 게재됐다.
포토디텍터는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 광검출기이다. 연구팀은 기존의 포토디텍터에 그래핀을 폴리에틸렌이민(PEI) 도핑하고, 쇼트키 장벽 높이를 0.42eV에서 0.68eV로 조절함으로써 크기가 작은 신호를 감지하도록 성능 개선에 주력했다.
이 방법처럼 쇼트키 장벽 높이를 0.26eV 조절했을 때, 포토디텍터의 암전류는 기존과 비교해 3배(980nA에서 219pA로) 감소했다. 뿐만 아니라, 도핑되지 않은 그래핀/p형 실리콘 광검출기와 비교했을 때, 근적외선(850nm)에서 광검출능(Detectivity)이 529% 향상된 결과를 보였다.
 ▲ 도핑된 광센서에 적용된 도핑 농도별, 파장에 따른 광검출 능력 변화 (C) 포스텍 |
이번에 개발된 그래핀-실리콘 이종접합 포토디텍터는 낮은 암전류로 대기전력을 줄여 소모 전력을 줄일 수 있으며, 매우 작은 신호도 감지해 낼 수 있다. 때문에 소형화, 고속화 되어가는 디지털카메라, 이미지 센서, 동작인식센서, 광통신 시스템 등 정밀한 분야에 응용 가능성이 높을 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구를 통해 개발된 기술은 그래핀 광센서 관련 창업기업인 시그마포토닉스에 이전, 상용화도 추진할 계획이다.
POSTECH 이병훈 교수는 “매우 쉬운 화학적 도핑 방법을 이용하여 광센서의 암전류를 획기적으로 저감했다”며 “그래핀 광센서의 상용화를 앞당기고, 자율주행자동차, 이미지 센서, 광통신 등 다양한 산업 분야에 응용 가능한 신기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 글로벌프론티어사업 3D 집적 반도체소재 원천기술 및 응용 연구, 창의소재 디스커버리사업 멀티레벨 소재 설계 및 응용 연구, 나노소재 원천기술개발사업, 그리고 과학기술정보통신부 그래핀 배리스터 기반 삼진 로직 소자개발 및 집적공정, 아키텍쳐 연구, 창업기업 시그마포토닉스(2018) 사업의 지원으로 수행됐다.
<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>
<The following is the full text of the article translated by Google Translate.>
POSTECH research team develops a method for improving photodetection performance of graphene-silicon photodetectors
POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) announced on the 28th that a research team led by Professor Byung-Hoon Lee and Dr. Tae-Jin Yoo of the Semiconductor Technology Convergence Center (CSTC) of the Department of Electronic and Electrical Engineering succeeded in manufacturing a high-efficiency photodetector using a graphene/p-type silicon junction structure.
In particular, it is a remarkable result that the detectability and dark current characteristics can be easily improved only by a simple method of pre-doping graphene. This achievement was published on the 16th of the international academic journal 'Laser & Photonics Reviews'.
A photodetector is a photodetector that detects an optical signal and converts it into an electrical signal. The research team focused on improving the performance to detect small signals by doping graphene with polyethyleneimine (PEI) and adjusting the Schottky barrier height from 0.42 eV to 0.68 eV in the existing photodetector.
When the Schottky barrier height is adjusted to 0.26eV as in this method, the dark current of the photodetector is reduced 3 times (from 980nA to 219pA) compared to the conventional one. In addition, compared with the undoped graphene/p-type silicon photodetector, the photodetectivity in the near-infrared (850nm) was improved by 529%.
The newly developed graphene-silicon heterojunction photodetector can reduce power consumption by reducing standby power with low dark current and can detect even very small signals. Therefore, it is expected to have high application potential in precision fields such as digital cameras, image sensors, motion recognition sensors, and optical communication systems, which are becoming smaller and faster.
Meanwhile, the technology developed through this research will be transferred to Sigma Photonics, a start-up company related to graphene optical sensors, and will be commercialized.
Professor Byung-Hoon Lee of POSTECH said, “Using a very easy chemical doping method, we have dramatically reduced the dark current of the optical sensor. We expect it to be a new technology,” he said.
This research is a global frontier business 3D integrated semiconductor material source technology and application research, creative material discovery business multi-level material design and application research, nano material source technology development project, and the Ministry of Science and ICT's graphene varistor-based ternary logic device development and integration It was carried out with the support of the process, architecture research, and start-up company Sigma Photonics (2018) project.
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