KAIST 신소재공학과 신병하 교수와 IBM 연구소의 오키 구나완(Oki Gunawan) 박사 공동 연구팀이 반도체 특성 분석의 핵심 기술인 '홀 효과(Hall effect)'의 한계를 넘을 수 있는 새로운 반도체 정보 분석 기술을 개발했습니다. 이번 연구는 140년 전에 처음 발견된 이래로 반도체 연구 및 재료 분석의 토대가 된 홀 효과 측정에 대한 새로운 발견인데요. 이는 향후 반도체 기술 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구 논문은 <Nature>에 게재됐습니다.
홀 효과(Hall effect)가 뭐지?!
홀 효과는 1879년 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견했는데요. 홀 효과란 전류와 자기장에 의해 모든 전도체 물질에 나타나는 효과를 말합니다. 가령, 전류가 흐르는 전기 전도체에 수직한 방향으로 자기장이 걸릴 때, 전류와 자기장의 수직으로 걸리는 전압을 홀 전압이라고 합니다.
홀 효과는 물질의 전하 특성에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 물질의 전하 특성으로는 유형, 밀도, 이동성, 속도 등이 있는데요. 이는 반도체 소자를 이해하고 설계하는 데 필요한 가장 기본적인 특성들이죠. 이러한 이유로 홀 효과는 지난 100년이 넘는 시간 동안 가장 일반적인 반도체 특성 분석 기법 중 하나입니다. 전 세계의 반도체 연구기관에서 보편적으로 사용되고 있죠.
그러나 현재까지의 홀 효과 분석 기법으로는 다수 운반체(Majority carrier)와 관련한 특성만 파악할 수 있습니다. 태양 전지와 같은 소자의 구동 원리 파악에 필수인 소수 운반체(Minority carrier)의 정보는 얻을 수 없다는 한계를 지닙니다.
포토 홀 효과(CRPH)로 문제 해결
연구팀은 문제 해결을 위해 '포토 홀 효과(Carrier-Resolved Photo-Hall, CRPH)' 기술을 개발했습니다. 정확히는 포토 홀 방정식을 유도했는데요. 이 기술을 사용하면 한 번의 측정으로 다수 운반체 및 소수 운반체에 대한 많은 정보를 동시에 추출하는게 가능했습니다. 연구팀은 주어진 광원 조건 하에서 포토-홀 방정식을 통해 광전지 재료에서 원하는 파라미터를 추출했는데요.
기존 홀 측정에서는 세 가지 정보를 얻었던 반면 새로운 기술은 최대 일곱 개의 주요 정보를 획득할 수 있습니다. 정보로는 실제 작동 조건을 포함한 여러 광도에서의 광여기 전하 농도, 다수 운반체 및 소수 운반체의 전하 이동도, 재결합 수명, 확산 거리 등을 포함합니다.
홀 효과는 캐리어에 대한 가장 기초적인 정보를 제공합니다. 때문에 전자 재료 연구에서 가장 중요한 측정 기술이라고 할 수 있죠. 홀 효과는 또한 지난 수십 년 동안 이 효과는 양자 홀 효과와 같은 물리학의 근본적인 발전의 기초가 됐습니다.
포토 홀 방정식의 발견으로 연구팀은 홀 효과의 기능을 크게 확장 시켰습니다. 이 기술은 태양 전지, 발광 다이오드와 같은 광전자 소자 분야에서 사용 가능한 신소재 개발 및 최적화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다.
신 교수는 "지난 2년간의 연구가 좋은 결심을 맺게 되어 기쁘다. 이 기술을 통해 새로운 광소자 물질의 전하 수송 특성을 이해하고 더 나은 소자를 개발하는 데 큰 도움이 되리라 믿는다"고 말했습니다.
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