★ 2022년 1월 4일(화) 조간 (온라인 1.3.(월) 낮 12:00 이후)부터 보도해 주시기 바랍니다.

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보도자료 청렴한 연구지원 신뢰받는 NRF
	<홍보실> 박길수 실장, 이은지 연구위원 ☎ 042-869-6116
<자료문의> 포항공과대학교 신소재공학과 손준우 교수(054-279-2156)
자외선, 반도체 내 산소를 춤추게 한다 열처리 없이 상온에서의 자외선 조사로 광전류 1,000배 증폭

□ 고온의 열처리 대신 상온에서 자외선을 쬐어 주는 것으로 산화물 반도체의 광전류를 1,000배 이상 증폭하고 제어할 수 있는 기술이 소개됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 손준우 교수(포항공과대학교) 연구팀이 기존 열처리 대신 자외선으로 산화물 반도체의 광전류를 증폭하고 실시간으로 제어할 수 있는 전략을 제안했다고 밝혔다.

□ 페로브스카이트 결정을 이용한 주석 산화물 반도체는 가시광선 빛이 투과할 수 있는 넓은 밴드갭, 전자가 빠르게 흐를 수 있는 높은 상온 전자이동도 및 고온 안정성으로 인해 투명 반도체 소자, 전력 반도체, UV 검출기를 위한 차세대 소재로 주목받고 있다.

○ 특히 지능형 광소자의 요구에 따라 광전류가 실시간으로 변하는 재구성 반도체 소자는 고민감성 광검출기, 홀로그램 메모리 소자 등으로 응용될 수 있다. 때문에 가역적으로 산화물 반도체 내의 특정 부분에서만 다량의 광전자를 형성하기 위한 연구가 중요하다.

□ 연구팀은 상온에서 페로브스카이트 산화물 반도체에 자외선을 쬐어, 국부적 영역에서 산소 빈자리 결함을 생성하고 또 소멸시킬 수 있음을 알아냈다.

○ 반도체 표면의 산소 빈자리는 광전류 증폭을 위한 전자의 생성이 이뤄지는 자리로 연구팀은 자외선으로 만든 산소 빈자리를 이용해 기존 대비 1,000배 이상의 광전류를 구현하는 데 성공했다.

□ 특히 산소 빈자리 결함은 외부 산소 압력을 다양하게 조절하는 것만으로 생성과 소멸은 물론 빈자리 결함 농도도 제어할 수 있다.

○ 멀티레벨 스위칭 등이 핵심이 될 다기능 재구성 소자의 실마리가 될 수 있어 특히 의미가 있다.

□ 기존에도 고온에서 산소 빈자리 결함 형성으로 광전류 등의 물성을 제어하려는 시도가 있었으나, 소자 동작 시 가역적으로 산화물 반도체 표면 광전류를 증폭, 제어하는 연구는 없었다.

□ 손준우 교수는 “집속된 자외선 기반 도핑으로 하부 기판 손상 없이 미세 패턴의 선택적 영역에서 반도체 특성을 제어할 수 있는 새로운 상온 공정기술을 제안한 것”이라며 “반도체 내 결함 준위 가역적 제어 원리에 기반한 재구성 현상은 다기능 소자 및 실시간으로 재구성 가능한 지능형 광소자에 적용될 수 있다”고 설명했다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2021년 12월 18일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 포항공과대학교 손준우 교수>

논문명	Reversible manipulation of photoconductivity caused by surface oxygen vacancies in perovskite stannates with ultraviolet light
저널명	Advanced Materials
키워드	oxygen vacancy (산소 빈자리), perovskite (페로브스카이트), oxide semiconductor (산화물 반도체), photoconductivity (광전류), photolysis (광분해)
DOI	10.1002/adma.202107650
저 자	손준우 교수(교신저자/포항공대), 이유정 석박통합과정 (제1저자/포항공대), 윤다섭 석박통합과정 (제1저자/포항공대), 유상배 박사 (공저자/포항공대), 심혜지 석박통합과정 (공저자/포항공대), 박윤규 박사 (공저자/포항공대), 남연서 석박통합과정 (공저자/포항공대), 김기정 박사 (공저자/가속기연구소), 최시영 교수 (공저자/포항공대), 강영호 교수 (공저자/인천대학교)

1. 연구의 필요성

○ 이온 결합 기반의 세라믹 산화물 반도체 소재는 실리콘 등의 공유 결합 기반의 전통적인 반도체가 발현할 수 없는 특성으로 인해, 투명 전자 소자의 핵심 요소 소재 기술로 응용되고 있다.

○ 최근 페로브스카이트 결정 구조 주석 산화물은 가시광선 빛이 투과할 수 있는 넓은 밴드갭, 전자가 빠르게 흐를 수 있는 높은 상온 전자 이동도 및 고온 안정성으로 인해 고해상도 투명 반도체 소자, 전력 반도체, UV 검출기를 위한 차세대 소재로 많은 주목을 받고 있다.

○ 이와 같은 우수한 물성의 주석 산화물 반도체를 심화된 기초연구를 통해서 이해하고, 신물성을 극대화하여, 고민감성/다기능 소자 및 소자 동작 중 재구성 가능한 신소자에 응용하고자 하는 노력이 현재 진행되고 있다.

○ 이를 위해서는 온도를 올리지 않고 산화물 반도체 내의 특정 부분에서만 가역적으로 다량의 (광)전자를 형성할 수 있는 격자 내 도펀트 형성과 같은 창의적인 소재 공정 개발이 필수적이다. 특히, 격자 내 산소 빈자리 결함은 전자를 생성하는 도펀트 동시에, 전자를 산란/소멸시키는 트랩 자리로 중요한 역할을 함에도 불구하고, 온도를 올리지 않고 국부적으로 산소 빈자리 도펀트 농도를 제어하는 것은 지금까지 불가능한 일이었다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서 자외선 빛 조사를 이용하여 열 제공없이 상온에서 페로브 스카이트 주석 산화물 반도체 (BaSnO3)의 계면에서만 국부적으로 산소 빈자리 결함을 가역적으로 생성할 수 있는 현상을 발견하고, 계면 결함 준위 (defect states) 제어 원리에 기반한 광전류 증폭 현상을 규명하였다.

※ 페로브스카이트 주석 산화물 반도체 : ASnO3 의 화학식으로 A의 위치에 알칼리 토금속(Ba, Sr, Ca)이 들어간다. 주석(Sn)을 따라 전자가 흐르는 매우 높은 상온 전자이동도를 보이는 산화물 반도체이다.

※ 결함 준위 : 격자 내 불규칙적인 결함이 생성될 때 밴드갭 내에 형성되는 전자가 머무를 수 있는 자리

○ 연구팀은 빛에 의한 페로브스카이트 주석 산화물 표면에서의 산소 빈자리 결함 형성 가능성과 내부 격자 내 안정성에 주목하고, 상온에서 외부 산소 분압 변화에 따른 산화물 반도체의 자외선 광전류를 측정하였다.

※ 산소 빈자리 결함(Oxygen Vacancy) : 산화물 고체 내에서 산소가 빠진 상태

○ 즉, 반도체 위에 조사된 자외선에 의해서 생성된 전자-홀 쌍은 반도체 표면에서의 선택적 환원 반응을 가속화하여 산소 빈자리를 형성하고, 동시에 격자 내 낮은 산소 이온 확산 속도로 인해 생성된 산소 빈자리가 표면에 선택적으로 축적됨을 전자현미경과 가속기 측정으로 확인하였다.

○ 표면과 격자 내부의 빛에 의한 상반된 안정성으로 인해, 2차원의 표면에만 생성, 집중된 산소 빈자리 결함은 고속의 전자 생성을 가능하게 하고, 산화물 반도체의 계면 (광)전자 증가에 크게 기여하여, 기존에 달성하지 못했던 약 1000배 이상의 광전류 증폭 현상을 구현하였다.

○ 산소 빈자리 결함에 의해서 증폭된 광전류 량은 열 공급없이 상온에서 외부의 산소 분압에 따라 다양한 레벨로, 가역적으로 재구성할 수 있었다.

3. 기대효과

○ 빛에 의해서 상온에서도 산화물 반도체 표면에 집중적으로 산소 빈자리 결함이 형성됨을 확인하였고, 나아가 광전자 거동에 영향을 미치는 반도체 밴드갭 내의 결함 준위를 빛에 의해서 제어할 수 있음을 확인하였다.

○ 본 연구를 바탕으로 집속된 광원 기반 상온에서 국부적인 도핑을 통해서 하부 기판의 손상없이 미세 패턴의 선택적 영역에서 반도체 특성을 제어할 수 있는 새로운 상온 공정 기술을 제안하였다. 또한, 반도체 내 결함 준위 가역적 제어 원리에 기반한 광전류 증폭 및 재구성 현상은 다양한 고민감성/다기능 소자 및 실시간으로 재구성 가능한 지능형 광 소자에 적용될 수 있다.

그림 설명

(그림1) 자외선 조사에 의한 산화물 반도체 광전류 증폭 및 가역적 제어

(a) 상온에서 페로브스카이트 주석 산화물(BaSnO3) 위 자외선 조사에 따른 표면 산소 빈자리(oxygen vacancy) 형성 및 이를 통한 광전류 증폭 현상 도식도. (Advanced Materials 표지논문(Frontispiece)로 선정됨.)

(b) 주위 산소 분압에 따른 광전류량의 가역적 제어 현상. 낮은 산소 분압에서 자외선 조사에 의한 산화물 반도체 내 전자-홀 쌍이 상온에서 표면 산소 빈자리를 형성하고 그에 따른 밴드갭 내의 준위(in-gap states) 형성을 가속화하는 것을 규명.

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 손준우 교수 copyright reserved by Wiley-VCH

(그림 2) 자외선에 의한 페로브스카이트 주석 산화물 표면 광전류 증폭 기작 규명

(a) 자외선 조사 중 표면 화학결합 변화. 진공 중 자외선 조사에 따라 산소 빈자리 결함이 증가하는 것을 광전자 분광법으로 알아내었다.

※소재 내부가 아닌 표면에서의 변화를 정밀하게 분석하기 위해 포항가속기 연구소의 상압 X선 광전자 분광기를 이용하여 실시간으로 측정하였다.

(b) 자외선 조사 후 표면 변화. 표면 근처 LAADF 신호의 증가는 산소 빈자리 결함 형성으로 인한 것임을 원자현미경으로 알아내었다.

(c) 제일원리계산으로 제안된 표면 산소 빈자리 형성에 따른 밴드갭 내 준위 형성.

그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 손준우 교수 copyright reserved by Wiley-VCH

연구 이야기

<작성 : 포항공과대학교 손준우 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구실은 극한 소자용으로 새롭게 연구되고 있는 페로브스카이트 주석 산화물 반도체 소재의 특성을 자유롭게 제어할 수 있는 방법에 관한 연구를 진행해 왔다. 특히 가역적으로 광/전기적 특성을 변화시킬 수 있는 산소 빈자리 결함을 어떻게 하면 손쉽게 제어할 수 있을까 고민하면서 시작되었다. 기존에는 이와 같은 산소 빈자리 결함을 고온 열처리를 통해서만 생성할 수 있었던 반면에, 본 연구실은 다양한 소자 응용을 위해서 상온 동작 중 주석 산화물 내의 산소 빈자리 결함을 제어할 수 있는 방법의 필요성을 느끼게 되었고, 기존에 고안하지 못했던 빛을 이용한 산소 빈자리 결함 생성 및 제어에 대한 연구를 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

넓은 밴드갭 산화물 반도체를 이용한 UV 검출기 소자를 구현하던 중, 주위 산소 분압에 따라 상온에서의 광전류량이 1,000배 이상 차이가 나는 현상을 발견하였다. 특히 산화물 반도체 밴드갭 이상의 에너지를 가지는 자외선 조사 시에만 이와 같은 광전류량 증폭 현상이 관찰되어, 자외선으로 활성화된 전자-홀 쌍이 광전류 증폭에 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다. 더불어 포항가속기 및 전자현미경을 이용한 실시간 관찰을 통해서 표면에서의 선택적 환원 반응을 통한 산소 빈자리 형성 및 축적이 광전류 증폭의 원인임을 직접적으로 확인할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

상온 및 고온에서 매우 안정적이라고 알려져 있는 페로브스카이트 주석 산화물 반도체의 광전류 증폭 현상은 매우 이례적인 현상으로, 관찰한 현상의 원인을 찾기가 어려웠다. 특히 소재 내부가 아닌 나노미터의 표면에서만 일어나는 현상이어서 더욱 찾기가 힘들었다. 나노미터 표면 변화를 정밀하게 분석하기 위해서 포항가속기 상압 X선 광전자 분광기와 전자현미경 분석을 같이 진행하여서 그 원인 정확하게 파악할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

산화물 반도체 격자 내의 산소 빈자리 결함은 전자를 생성하는 도펀트이면서도 동시에 생성된 전자를 산란/소멸시키는 트랩으로 중요한 역할을 한다. 기존에는 충분히 높은 온도에서만 산소 빈자리 결함을 생성할 수 있었던 데다 소자 동작 시 가역적인 형성을 통한 물성 제어도 불가능했다. 본 연구에서는 온도를 올리지 않고 상온에서 자외선 조사를 통해 산화물 반도체 내의 표면의 특정 부분에서만 다량의 (광)전자를 형성할 수 있는 산소 빈자리 결함을 가역적으로 제어하는 연구를 구현했다는 점에서 기존 연구와 차별성이 있다. 또한 본 연구는 페로브스카이트 주석 산화물의 빛에 의한 표면에서의 산소 빈자리 결함 형성 및 축적을 통한 광전류 증폭 현상을 모델링 실험 및 실시간 분석을 통해 규명했다는 점에서 의의가 있다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구는 열 없이 상온에서 빛을 이용한 국부적인 도핑을 통해서 산화물 반도체 특성을 제어할 수 있는 신공정법을 제시하였다. 또한 소자 동작시 반도체 내 결함 준위의 가역적 제어 원리에 기반한 광전류 증폭 및 재구성 현상은 고민감성 소자 및 실시간 재구성 가능한 광소자에 적용될 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

페로브스카이트 주석산화물 반도체는 고온, 진공 등 극한 환경에서 극한 물성(고 전자이동도 등)을 보이는 신소재로 전력반도체, UV 검출기 등 다양한 응용에 대한 잠재력을 지니고 있다. 따라서 우리 연구실은 페로브스카이트 격자 내의 결함 생성 원리 및 전자 동역학에 대한 심화된 기초 연구를 바탕으로 도핑, 이종접합을 통한 소자 특성 극대화하고 이를 다기능 소자에 응용하려 하는 노력을 지속하고 있다.

연구자 소개

<손준우, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 신소재공학과

○ 전 화 : 054-279-2156

2. 학력

○ 2005	서울대학교 학사(재료공학)

○ 2011	미국 UC Santa Barbara 박사(재료공학)

○ 2011 ~ 2012	미국 UC Santa Barbara 박사후연구원

3. 경력사항

○ 2012 ~ 2017	포항공과대학교 신소재공학과 조교수

○ 2017 ~ 현재	포항공과대학교 신소재공학과 부교수

○ 2017 ~ 현재	포항공과대학교 정보신소재연구소 소장

○ 2021 ~ 현재	한국재료학회 기술이사

○ 2017	일범 석좌 교수

○ 2018	대한금속재료학회 신진학술상

4. 전문분야 정보

○ 재료공학(산화물 반도체 재료 및 소자 연구)

5. 연구지원 정보

○ 2020 ~ 현재	과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(기초연구실)

○ 2020 ~ 현재	과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

<이유정, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 신소재공학과

○ 전 화 : 054-279-5247

2. 학력

○ 2018  경북대학교 학사(신소재공학)

3. 경력사항

○ 2018 ~ 현재	포항공과대학교 신소재공학과 석박통합과정생

4. 전문분야 정보

○ 재료공학(산화물 반도체 재료 및 소자 연구)

<윤다섭, 공동 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 신소재공학과

○ 전 화 : 054-279-5247

2. 학력

○ 2016  포항공과대학교 학사(신소재공학)

3. 경력사항

○ 2016 ~ 현재	포항공과대학교 신소재공학과 석박통합과정생

4. 전문분야 정보

○ 재료공학(산화물 반도체 재료 및 소자 연구)