반도체 전자 이동 밝히는 '홀 효과' 측정법 100년만에 개선

2019.11.14 18:35
신병하 KAIST 교수팀이 새롭게 개선한 홀 효과 측정 기술을 그림으로 묘사했다. 광원의 세기 변화에 따라 전기전도도와 홀 계수라는 지표가 어떻게 변하는지를 계산했다. 기존 홀 효과는 전자(다수운반체)의 특성만 파악할 수 있었지만, 새로운 포토 홀 효과를 측정하면 양공의 특성도 알 수 있고, 측정할 수 있는 특성도 두 배 이상 늘었다. KAIST 제공
신병하 KAIST 교수팀이 새롭게 개선한 홀 효과 측정 기술을 그림으로 묘사했다. 광원의 세기 변화에 따라 전기전도도와 홀 계수라는 지표가 어떻게 변하는지를 계산했다. 기존 홀 효과는 전자(다수운반체)의 특성만 파악할 수 있었지만, 새로운 포토 홀 효과를 측정하면 양공의 특성도 알 수 있고, 측정할 수 있는 특성도 두 배 이상 늘었다. KAIST 제공

반도체 소자를 설계할 때에는 물질이 전자를 얼마나 잘 운반하는지 ‘전하특성’을 잘 알아야 한다. 이를 잘 이해하기 위해서 100여 년 동안 ‘홀 효과’ 현상이 널리 활용됐다. 하지만 이 현상은 태양전지 등 새로운 개념의 소자 특성과 원리를 설명하기 어려운 한계가 있었다. 그런데 국내 연구팀이 홀 효과를 활용해 반도체 전하 특성 검사를 개선할 새로운 방법을 알아냈다. 


신병하 KAIST 신소재공학과 교수와 오키 구나완 미국 IBM연구소 연구원팀은 ‘포토 홀 효과’를 활용한 새로운 반도체 특성 분석 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.


홀 효과는 1879년 에드윈 홀이 발견했다. 전류가 흐르는 전도체에 수직 방향으로 자기장을 걸면 전류와 자기장의 방향에 수직 방향으로 전압이 걸리는 현상이다. 수직으로 걸린 전압을 홀전압이라고 부른다. 홀 효과를 측정하면 물질의 전하 유형과 밀도, 이동 등의 정보를 알 수 있어 지난 100여 년 동안 반도체 소자를 이해하고 설계할 때 널리 활용돼 왔다. 


물질 내에서 전하를 운반하는 역할을 하는 실제 또는 가상의 입자를 ‘운반체(캐리어)’라고 한다. 전자와 양공(홀 또는 정공. 전자가 빠져 나간 빈 자리를 가상의 입자로 취급한 것)이 대표적인 운반체인데, 기존의 홀 효과 측정 기술은 주로 전자(이를 ‘다수운반체’라고 부른다)와 관련된 특성을 파악할 수 있었다. 


최근 널리 활용되는 태양전지나 발광다이오드(LED)는 빛에 노출되면 두 가지 운반체가 모두 전도도 등이 변하는 특성을 갖고 있다. 전자 외에 양공(소수운반체)도 측정해야 한다는 뜻이다. 하지만 기존 홀 효과 측정으로는 이런 반도체를 제대로 분석하기 어려웠다.

 

신병하 KAIST 교수팀이 새롭게 개선한 홀 효과 측정 기술을 그림으로 묘사했다. 광원의 세기 변화에 따라 전기전도도와 홀 계수라는 지표가 어떻게 변하는지를 계산했다. 기존 홀 효과는 전자(다수운반체)의 특성만 파악할 수 있었지만, 새로운 포토 홀 효과를 측정하면 양공의 특성도 알 수 있고, 측정할 수 있는 특성도 두 배 이상 늘었다. KAIST 제공
신병하 KAIST 교수팀이 새롭게 개선한 홀 효과 측정 기술을 그림으로 묘사했다. 광원의 세기 변화에 따라 전기전도도와 홀 계수라는 지표가 어떻게 변하는지를 계산했다. 기존 홀 효과는 전자(다수운반체)의 특성만 파악할 수 있었지만, 새로운 포토 홀 효과를 측정하면 양공의 특성도 알 수 있고, 측정할 수 있는 특성도 두 배 이상 늘었다. KAIST 제공

연구팀은 이를 개선하기 위해 새로운 ‘포토 홀 효과’ 기술을 개발했다. 광원의 세기 변화에 따라 전기전도도와 홀 계수라는 지표가 어떻게 변하는지를 계산한 결과로, 전자와 양공이라는 두 가지 운반체의 특성을 모두 알 수 있게 해 준다. 또 기존 홀 효과 측정에서 알 수 있던 세 가지 정보 외에 네 가지 정보를 추가로 알 수 있다. 연구팀은 차세대 태양전지 소재로 주목 받고 있는 페로브스카이트 등의 태양전지 박막을 대상으로 실험해 이 기술로 반도체 특성을 보다 정확히 측정할 수 있다는 사실을 확인했다.


신 교수는 “새로운 광소자 물질의 전하 수송 특성을 이해하고, 더 나은 소자를 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.


연구 결과는 국제학술지 ‘네이처’ 7일자에 발표됐다.
 

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