첨단산업 '눈' 더 밝게… SWIR 센서용 화합물 반도체 소재 개발

표준연구원, 단파장 적외선(SWIR) 센서 격자 불일치 완화

검출 대역·신뢰도↑ 차세대 첨단산업 센서로 즉시 상용화 기대

[대전=뉴시스] KRISS가 개발한 InAsP 소재 기반 SWIR 센서(왼쪽)와 반응 스펙트럼.(사진=표준연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 초고감도 단파장 적외선(SWIR·short wavelength infrared) 센서에 활용되는 고품질 화합물 반도체 소재를 개발했다고 30일 밝혔다.

적외선 대역 중 파장의 길이가 1.4∼3.0 마이크로미터(㎛) 사이인 단파장 적외선(SWIR)은 연기, 안개 등을 잘 투과하고 물체가 가진 고유의 빛 스펙트럼을 탐지할 수 있어 자율주행 차량 카메라, 스마트 IoT 센서 등 첨단산업 분야의 '눈'(眼)으로 쓰인다.

SWIR 센서는 대역의 특성상 어두운 환경에서도 선명한 시각 정보를 제공하고 물체로부터 반사되는 적외선과 물체가 직접 방출하는 적외선 모두를 탐지할 수 있다.
 
SWIR 센서에는 단일 원소 기반인 실리콘 반도체에 비해 전자 이동성이 월등히 높아 미량의 빛도 민감하게 감지할 수 있고 전력효율도 뛰어난 두 종류 이상의 원소를 결합한 화합물 반도체가 사용된다.

현재 SWIR에 가장 많이 쓰이는 화합물 반도체 소재는 인듐-포스파이드(InP) 기판 위에 인듐-갈륨-아세나이드(InGaAs)를 광 흡수층으로 성장(증착)시킨 InGaAs 소재다.

하지만 InGaAs 소재는 제작공정에서 발생하는 격자 불일치(lattice mismatch)와 자체 물성의 한계로 인해 일정 성능 이상의 SWIR 센서를 제작하기엔 어려움이 있다.

이번에 KRISS는 InP 기판 위에 인듐-아세닉-포스파이드(InAsP)를 광 흡수층으로 성장시킨 InAsP 소재를 새롭게 개발했다. 기존 InGaAs 소재보다 상온에서 신호 대비 잡음이 낮아 신뢰도가 높고 성능 저하없이 광검출 가능한 대역이 1.7μm에서 2.8μm까지 넓어졌다.

이 기술의 핵심은 격자 불일치를 완화하는 메타모픽(격자이완층)에 있다. 연구진은 두 박막(기판과 광 흡수층) 사이에 As와 P의 비율을 단계적으로 조성한 메타모픽 구조를 삽입해 물성과 격자 크기가 다른 두 박막이 직접 충돌하지 않도록 완충 역할하록 했다.
 
이를 통해 격자 변형을 크게 완화해 고품질은 유지하면서 밴드갭을 유연하게 조절할 수 있는 신소재를 개발하는데 성공했다.

밴드갭(band gap)은 전자가 모여있는 공간과 전자가 없는 공간 사이의 틈으로 밴드갭이 넓을수록 전자의 이동성이 우수하고 낮은 결함 밀도를 갖는다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 'Advanced Functional Materials'(IF: 19)에 지난 2월 게재됐다.(논문명:Toward Ga-Free Wavelength Extended 2.6 μm InAsP Photodetectors with High Performance)

KRISS 반도체디스플레이측정그룹 이상준 책임연구원은 "화합물 반도체 소재는 국가 전략물자로 수입이 쉽지 않아 독자적인 기술확보가 필요하다"며 "이번에 개발한 소재는 즉시 상용화 가능한 수준으로 전투기용 레이더, 의약품 결함 검사, 폐플라스틱 재활용 공정 등 미래산업 분야에 폭넓게 활용될 것"이라고 말했다.


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