전북대학교 박광욱 신소재공학부 전자재료공학전공 교수 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 이한얼 신소재공학과 교수(차세대에너지연구소 RISE 겸무) 연구팀과 공동으로 아연주석질화물(ZnSnN2)의 조성과 전기적 특성을 정밀하게 제어해 자가 구동 광센서를 구현했다. 전북대 김정현·황주찬 박사과정생이 공동 제1저자로 연구를 수행했다.
빛을 감지해 전기 신호로 바꾸는 광센서는 사물인터넷(IoT), 웨어러블 기기, 드론 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히 빛 자체를 에너지원으로 활용하는 자가 구동 광센서는 외부 전력 소비를 줄일 수 있어 차세대 저전력 전자기기의 핵심 기술로 주목받고 있다.
자가 구동 광센서가 작동하려면 빛에 의해 생성된 전자와 정공을 효과적으로 분리해야 한다. 이를 위해 서로 다른 반도체를 결합해 접합면에 내부 전기장이 형성되는 이종접합 구조가 활용되며, 이때 각 반도체의 전하 운반자 농도와 에너지 밴드 구조를 정밀하게 제어하는 것이 중요하다.
전북대 연구팀은 차세대 질화물 반도체 소재로 주목받는 ZnSnN2에 주목했다. ZnSnN2는 매장량이 풍부한 아연(Zn), 주석(Sn), 질소(N)로 구성된 삼원계 질화물 반도체로, GaN 등 기존 III족 질화물과 구조적 친화성이 높고 조성과 성장 조건에 따라 전기적·광학적 특성을 폭넓게 조절할 수 있어 차세대 광전자 소자용 소재로 관심을 받고 있다.
연구팀은 반응성 RF 마그네트론 스퍼터링 공정의 질소와 아르곤 비율을 조절해 ZnSnN2 박막의 조성과 전하 운반자 농도를 정밀하게 제어했다. 최적화된 ZnSnN2 박막에서는 3.34 × 1019 cm-3의 전하 운반자 농도를 확보했으며, GaN과의 이종접합에서 약 88 kV/cm의 강한 내부 전기장을 형성했다. 이 내부 전기장은 빛으로 생성된 전하를 효과적으로 분리해 외부 전압 없이 광전류를 발생시키는 핵심 역할을 한다.
공동 연구팀은 여기에 ZnSnN2 표면에 주기적인 마이크로홀 구조를 형성해 입사한 빛을 효과적으로 가두고 흡수하도록 했다. 그 결과 광여기된 전하 운반자의 수명은 평면 구조의 약 3.5 나노초(ns)에서 최대 6.2 ns로 약 1.8배 증가했다.
개발된 ZnSnN2/GaN 광다이오드는 외부 전압을 가하지 않은 0 V에서도 안정적인 광응답을 나타냈으며 낮은 빛 세기에서도 작동했다. 연구팀은 이를 상용 온습도 센서와 결합해 광다이오드가 주변 빛에서 생성한 전력을 이용함으로써 센서 구동에 필요한 외부 전력을 줄일 수 있음을 실제 시스템으로 확인했다.
이번 연구는 차세대 반도체 ZnSnN2의 조성과 전기적 특성을 박막 성장 단계부터 제어하고, 이를 GaN 이종접합의 내부 전기장과 광흡수 구조 설계로 연결했다는 데 의미가 있다.
박광욱 교수는 “ZnSnN2는 풍부한 원소로 구성되면서 성장 조건과 조성에 따라 전기적·광학적 특성을 폭넓게 조절할 수 있어 차세대 반도체 소재로서 가능성이 크다”며 “이번 연구는 ZnSnN2의 물성을 정밀하게 제어해 GaN과의 이종접합에서 강한 내부 전기장을 형성하고 이를 실제 자가 구동 광소자에 활용했다는 점에 의미가 있다”고 말했다.
이번 연구는 중소벤처기업부 기술개발사업(RS-2025-25465868), 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단 연구과제(NRF-2022R1F1A1064130), 전북대학교 BK21 FOUR 프로그램 및 전북대학교 연구비의 지원을 받아 수행됐다.
연구 결과는 국제학술지 ‘Small Structures’에 “Self-Powered ZnSnN2/GaN Photodiodes via Fine Stoichiometry Control and Photon Trapping Micropatterned Heterojunctions Under Low-Light Irradiation”이라는 제목으로 게재됐다 (DOI: 10.1002/sstr.70572).
