반도체에서 빛에 의해 생성된 높은 과잉에너지를 갖는 핫 캐리어들은 고도의 이동도와 확산계수를 나타낸다. 따라서 핫 캐리어를 충분히 활용할 수 있다면 기존 한계를 뛰어넘는 솔라셀 및 포토센서와 같은 초고속/초고효율 광전자소자 구현이 가능하다고 알려져 있다. 그러나 소재 물성의 한계, 핫 캐리어 제어 방법의 부재, 그리고 관측과 데이터 해석의 어려움으로 인해 ...

반도체에서 빛에 의해 생성된 높은 과잉에너지를 갖는 핫 캐리어들은 고도의 이동도와 확산계수를 나타낸다. 따라서 핫 캐리어를 충분히 활용할 수 있다면 기존 한계를 뛰어넘는 솔라셀 및 포토센서와 같은 초고속/초고효율 광전자소자 구현이 가능하다고 알려져 있다. 그러나 소재 물성의 한계, 핫 캐리어 제어 방법의 부재, 그리고 관측과 데이터 해석의 어려움으로 인해 ...

본 과제의 연구 내용은 크게 1) 핫 캐리어 제어 시스템 개발과 2) 이 시스템을 활용한 기초 및 응용연구 나뉜다. 1) 핫 캐리어 분석 시스템 개발: 이 시스템은 변조, 관측, 분석 파트로 구성되며, 각각에 대한 설명은 다음과 같다. 첫째, 변조 파트에서는 소재에 스트레인을 인가하여 핫 캐리어의 이동도/확산계수/수명/전송 방향성 등 다각적인 측면에서 특성 향상을 유도한다. 이를 위해 선행연구를 기반으로 마이크로스코피와 연동 가능한 고정밀도의 스트레인 인가 장치를 개발한다. 둘째, 관측 파트에서는 핫 캐리어의 초고속 거동 관측을 위해 ultrafast spatial tracking microscopy (USTM) 시스템을 구축하여 이용한다. 이를 위해 펨토초 펄스 레이저를 기반으로 100 펨토초 이하의 시간 분해능과 500 nm 급의 공간 분해 측정이 가능하도록 하며, 여기에 스트레인 인가/ 저온 장치/ 초고속 광전류 장치를 순차적으로 추가하여 완전성 있는 관측 파트를 구축한다. 셋째, 분석 파트에서는 딥러닝을 활용하여 관측된 데이터로부터 주요 핫 캐리어 물성 파라미터를 고속으로 정확하게 추출해낸다. 일반적인 딥러닝은 대량의 트레이닝 데이터를 통해 신경망을 최적화하는 방식이나, 물리 실험 데이터는 상대적으로 양이 매우 적기 때문에 이러한 방식의 적용이 어렵다. 따라서 본 과제에서는 소위 physics-inspired neural network (PINN) 방식의 딥러닝을 활용하여 USTM 데이터로부터 핫 캐리어 물성을 고속/고정밀도로 추출하는 분석 시스템을 개발한다. 각 파트 개발 이후, 이들을 유기적으로 연동하여 핫 캐리어를 제어하는 종합적인 시스템을 완성한다. 이 시스템은 스트레인으로 변조되는 핫 캐리어 특성을 USTM으로 관측하고, 여기서 얻은 데이터를 PINN딥러닝 방식으로 실시간으로 분석하여 다시 변조 파트에 피드백함으로써 핫 캐리어 특성 극대화를 위한 최적 제어 조건을 탐색한다. 2) 핫 캐리어 분석 시스템의 활용: 위 시스템을 통해 본 과제의 핵심 소재인 2차원 플레티넘 다이칼코게나이드의 핫 캐리어 특성을 연구한다. 이 소재는 기존 광전자 소재 대비 우수한 공기 안정성과 광반응성, 높은 캐리어 이동도 등으로 우수한 핫 캐리어 응용 소재로 예측되며, 나노 두께의 2차원 물질로 스트레인에 의한 변조율도 매우 높을 것으로 기대된다. 따라서, 해당 소재 및 관련 이종 접합 구조를 중심으로 핫 캐리어 특성 변조 연구를 시행할 예정이다. 이러한 기초연구에서 얻은 제어 원리를 바탕으로, 스트레인제어 초고속 광전류 스위치 및 이종접합 포토디텍터를 제작하여 소자 내에서의 핫 캐리어 거동 제어를 통한 퍼포먼스 (전류 스위칭 속도 및 photo responsivity) 향상 연구를 진행할 예정이다.

빛에 의해 측면 이종접합에서 생성된 엑시톤 및 케리어의 거동은 펨토초-피코초의 초고속 동역학을 보일 뿐만 아니라 본질적으로 계면을 지나 확산하는 공간적인 현상을 포함함. 따라서, 이들의 물성을 정확히 이해하기 위해서는 시분해 및 공간 분해 방식의 측정이 동시에 가능한 레이저 분광학 실험이 필수적임. 본 연구에서는 팸토초 단위의 시분해능과 마이크로미터의 공간 분해능을 동시에 갖는 초고속 펌프-프로브 스케닝 마이크로스코피 시스템을 구축하여 계면에서 일어나는 엑시톤/케리어의 확산, 전하 전달, 계면 엑시톤 형성 등을 직접적으로 관측하고 이해함을 목표로 함. 특히 이들 현상이 복합적으로 일어나면서 발생하는 상호작용을 집중적으로 탐구하여 기존 ‘수직’ 이종접합 2차원 구조에서는 볼 수 없는 새로운 현상을 탐구하고자 함. 해외 연구 기관과 측면 이종 접합 구조 제작에 있어서 최상급의 실력을 갖는 연구 그룹에서 제작된 샘플을 공유하며, 이를 통해 신뢰도가 매우 높은 실험을 수행할 수 있음. 이러한 초고속 빛-물질 상호작용에 대한 시공간분해적 기초 동역학 연구는 우수한 특성을 갖는 다양한 광전자소자에 이용될 수 있음. 본 연구에서는 이러한 응용의 가능성을 제시하는 것에 그치지 않고 입증하는 것을 목표로 함. 접합 계면에서 발생하는 초고속 케리어 확산 현상 및 엑시톤 분리를 기반으로 초고속 광전류 스위칭 소자와 테라헤르츠 발생 소자와 같은 주요 광잔자공학적 소자의 프로토타입을 제작하고 특성을 분석할 계획임. 전자의 경우 two-pulse 시분해 광전류 분광학 방식으로 측정이 될 수 있으며, 이는 앞서 기술한 탐구에 이용되었던 초고속 마이크로스코피 시스템을 기반으로 수행이 가능함. 후자의 경우 대표적인 테라헤르츠 측정 방식인 전기-광학적 샘플링 방식을 이용하여 직접적인 테라헤르츠 파 방출 관측과 함께 계면 전자의 비선형 동역학에 대한 지식을 얻을 수 있음. 결론적으로 본 제안 과제는 측면 이종 접합 2차원 물질에 대한 i) 기초적인 동역학적 빛-물질 상호작용 이해 및 ii) 이에 기반한 응용 연구를 체계적으로 추진하여 완성도 있는 연구를 주된 내용으로 함.