MoS₂/GaN 이종접합으로 구현한 고속 가시광선 UTC 포토다이오드

초록

본 연구는 2차원 전이금속디칼코게나이드인 MoS₂와 넓은 밴드갭 GaN을 직접 에피택시 성장시켜 형성한 van der Waals 이종접합을 이용한 Uni‑Traveling‑Carrier 포토다이오드(UTC‑PD)를 제시한다. Type‑II 밴드 정렬을 통해 광생성 전자만을 GaN 전송층으로 주입함으로써, 가시광 영역 전반에 걸쳐 약 1 % 수준의 양자 효율과 5 GHz 정도의 −3 dB 대역폭을 달성하였다. 고품질 에피택시 인터페이스와 낮은 인터페이스 트래핑이 빠른 응답 속도의 핵심 요인으로 확인되었다.

상세 분석

이 논문은 기존 III‑V 기반 UTC‑PD가 가시광 영역으로 확장되기 어려운 문제를, 2D 반도체 MoS₂와 GaN의 van der Waals(VDW) 이종접합으로 해결하고자 한다. 먼저, MoS₂를 MOCVD 공정을 이용해 GaN(0.3 µm i‑GaN + 3.6 µm n‑GaN) 위에 직접 에피택시 성장시켰다. Raman 스펙트럼에서 E₁₂g와 A₁g 피크 간 Δω = 22 cm⁻¹가 관측돼 2~3층의 MoS₂임을 확인했고, 고해상도 HAADF‑STEM 이미지에서 0.8 % 수준의 격자 상수 차이로 인해 무결점 에피택시 계층이 형성됨을 입증하였다. 이는 전통적인 스탬프 전이 방식에서 발생하던 인터페이스 산화층이나 결함을 제거하고, 전하 전달 손실을 최소화한다는 점에서 중요한 진전이다.

KPFM 측정을 통해 MoS₂와 GaN 사이에 약 0.26 eV의 전도대 오프셋(ΔEc)이 존재함을 확인했으며, 이는 기존 보고된 Type‑II 정렬과 일치한다. 따라서 광흡수층인 MoS₂에서 생성된 전자는 전도대 정렬에 의해 효율적으로 GaN i‑층으로 주입되고, 전자는 전자 전송층을 통해 단일 전하 운반 메커니즘(UTC)으로 동작한다. 전자 이동 속도는 GaN의 높은 포화 전자 속도(≈3 × 10⁷ cm/s)와 낮은 유효 질량 덕분에 고속 응답을 가능하게 한다.

전기적 특성에서는 다이오드와 같은 정류 특성이 관찰되었으며, TLM 분석을 통해 MoS₂‑전극 사이가 오믹 접촉임을 확인했다. 이는 전류 흐름이 MoS₂/GaN 접합 자체에서 발생하는 전위 장벽에 의해 제한된다는 것을 의미한다. 전류‑전압(I‑V) 곡선은 어두운 상태에서 3 V 역바이어스 시 0.8 pF의 소자를 형성했으며, 이는 고주파 측정에서 RC 저역통과 필터 모델에 의해 −3 dB 대역폭이 약 5 GHz로 제한되는 원인으로 작용한다. 실제 전하 전달 지연(전달시간)은 전자 트랜지션과 전송층 두께에 비해 무시할 정도로 짧으며, 따라서 구조 최적화(전송층 두께 감소, 광감응 면적 축소) 시 수십 GHz 이상의 대역폭도 기대할 수 있다.

광학적 특성에서는 MoS₂의 A, B, C exciton 피크가 400~680 nm 구간에 강하게 나타나며, GaN은 380 nm 이하에서 주로 흡수한다. 파장별 양자 효율(QE)은 405 nm에서 최대 1.5 %를 기록했으며, 465, 530, 620 nm에서는 0.5 % 수준으로 감소한다. 이는 MoS₂의 흡수 스펙트럼과 일치한다. 내부 양자 효율(IQE)은 1 %~5 %로 낮지만, 역바이어스 전압을 높일수록 전자 추출 효율이 향상되는 경향을 보인다. 저전압에서의 낮은 IQE는 전자와 정공의 모멘텀 정렬 불일치와 GaN의 폴라리제이션 전하가 전하 재결합을 억제하는 메커니즘과 연관될 수 있다.

전체적으로, 이 연구는 (1) MoS₂와 GaN 사이의 고품질 에피택시 VDW 인터페이스 구현, (2) Type‑II 밴드 정렬을 통한 전자 선택적 주입, (3) 외부 회로에 의한 RC 제한이 현재 대역폭을 결정한다는 점을 명확히 함으로써, 가시광 영역 UTC‑PD 설계에 새로운 패러다임을 제시한다. 향후 2D 소재와 III‑V 와이드밴드갭 반도체의 조합을 확대하고, 전송층 두께와 면적을 미세조정한다면, 수십 GHz 대역폭과 10 % 수준의 양자 효율을 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다.