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KAIST, 홀 효과 한계 보완한 새 반도체 분석기술 개발

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KAIST, 홀 효과 한계 보완한 새 반도체 분석기술 개발

‘포토 홀 효과 사용···한번 측정만으로 다수·소수 캐리어 정보 동시 추출

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포토홀 효과 개념도. 사진=KAIST
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홀 효과와 연구팀이 개발한 CRPH(캐리어-해결 포토홀 효과) 기술. 자료=KAIST


KAIST는 이 대학 신병하 신소재공학과 교수와 오키 구나완(Oki Gunawan) IBM 연구소 박사 공동 연구팀이 반도체 특성 분석의 핵심 기술인 홀 효과(Hall effect)의 한계를 넘을 수 있는 새로운 반도체 정보 분석 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

이 연구는 140년 전에 처음 발견된 이래로 반도체 연구 및 재료 분석의 토대가 된 홀 효과 측정에 대한 새로운 발견으로 향후 반도체 기술 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀의 이 기술은 태양 전지, 발광 다이오드와 같은 광전자 소자 분야에서 사용 가능한 신소재 개발·최적화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

홀 효과(Hall Effect)는 전류와 자기장에 의해 모든 전도체 물질에 나타나는 효과다. 전류가 흐르는 전기 전도체에 수직하게 자기장이 걸릴 때, 전류와 자기장의 방향에 수직하게 걸리는 전압을 홀전압이라 한다. 포토 홀 효과는 빛을 쐬었을 때의 홀 효과. 빛이 없을 때와 달리 전하와 전공 모두 작용한다. 운반체(carrier)는 물질 속에서 전하를 운반하는 입자 또는 가상적인 입자. 전자, 이온, 반도체 내의 양공 따위이다. 1879년 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견한 홀 효과는 물질의 전하 특성(유형, 밀도, 이동성 또는 속도)에 대한 중요한 정보를 제공한다. 이는 반도체 소자를 이해하고 설계하는 데 필요한 가장 기본적인 특성들이다. 이러한 이유로 홀 효과는 지난 100년이 넘는 시간 동안 가장 일반적인 반도체 특성 분석 기법의 하나며 전 세계의 반도체 연구기관에서 보편적으로 사용되고 있다.
불행히도 기존 분석 기법으로는 홀 효과를 통해 다수 운반체(Majority carrier)와 관련한 특성만 파악할 수 있었다. 즉, 태양 전지와 같은 소자의 구동 원리 파악에 필수인 소수 운반체(Minority carrier) 정보는 얻을 수 없다는 한계를 가지고 있었다.

이 문제 해결을 위해 연구팀은 ‘포토 홀 효과(Carrier-Resolved Photo-Hall" (CRPH))’ 기술을 개발했다. 이 기술을 사용하면 한 번의 측정으로 다수 운반체 및 소수 운반체에 대한 많은 정보를 동시에 추출할 수 있다.

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신병하 KAIST 교수, 배성열 박사과정.사진=KAIST


연구팀은 새로운 기술로 실제 작동 조건을 포함한 여러 광도에서 광여기 전하의 농도, 다수 운반체 및 소수 운반체의 전하 이동도, 재결합 수명, 확산 거리 등 최대 일곱 개의 중요한 정보를 얻을 수 있었다. 기존 홀 측정에서는 세 가지 정보를 얻는 데 그쳤다.

신 교수는 “지난 2년간의 연구가 좋은 결심을 맺게 되어 기쁘고, 이 기술을 통해 새로운 광소자 물질의 전하 수송 특성을 이해하고 더 나은 소자를 개발하는 데 큰 도움이 되리라 믿는다”라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업의 지원을 통해 수행됐다.


이재구 글로벌이코노믹 기자 jklee@g-enews.com