□ 반도체 소자가 점차 얇아짐에 따라 나노 소자의 성능 향상을 위해서 반도체 표면에서 일어나는 물리 현상을 심도 있게 이해할 필요가 있다. 특히, 빛의 조사에 따라 형성된 전하의 움직임은 태양전지, 광 촉매 기술 등의 개발에 있어 근본적인 단초를 제공할 것으로 기대된다.

□ 지스트 물리‧광과학과 이종석 교수 연구팀은 반도체 표면에서 광여기* 된 전자들의 초고속 거동을 추적하고, 이에 따른 표면 전기장의 형성 과정을 밝혀냈다.

* 광여기: 레이저 매질에 빛을 조사하여 높은 에너지 준위를 가지는 입자 수가 낮은 에너지 준위를 가지는 입자 수보다 많은 반전 분포를 실현하는 일

∘ 극성 반도체 표면에서 전자들이 가지는 초고속 동역학에 대한 이해는 태양전지에서의 에너지 생성, 전달, 저장 관련 성능 향상에 큰 도움이 되며, 광촉매 관련 소자의 효율 향상 전략을 수립하는데 기여할 수 있다.

□ 기존 연구에서는 반도체 표면에서의 전자 움직임을 추적하기 위해서 반도체 시료의 크기를 나노미터(10-9 미터) 수준으로 줄여 표면 효과를 증대시키는 방법을 이용했는데, 이 경우에는 양자 구속 효과가 필연적으로 발생해 표면 본연의 특성을 이해하는데 걸림돌이 되어 왔다.

∘ 본 연구는 시분해 비선형 분광 기법을 활용해 시료의 크기를 줄이지 않은 채 표면에서의 초고속 전자 움직임을 실시간으로 추적하는데 성공했다.

□ 연구팀은 대표적인 극성 반도체인 갈륨비소(GaAs)와 인듐비소(InAs)에서 광여기 된 전자에 의해 초고속으로 형성되는 표면 전기장을 펨토초-시분해 제2차 고조파 생성 기술을 통해 실시간으로 관측하였다.

∘ 물질에 광자(빛)가 들어오게 되면 높은 운동 에너지를 가진 뜨거운 전자와 정공이 만들어지며, 이들은 반도체 표면의 댕글링 본드(Dangling bond)와 같은 표면 결함에 의해 재결합을 하게 된다. 이 때 전자의 이동 속도는 정공보다 천배 이상 빠르기 때문에 전자 및 정공의 공간적 분포가 달라지고, 이에 따라 표면 전기장이 형성된다.

□ 연구팀은 표면 근처 수 나노미터 두께에서 형성되는 이러한 표면 전기장을 제2차 고조파 형성을 통해 측정하였고, 특히 펨토초 레이저를 이용한 시분해 기술을 통해 이러한 광전하의 이동에 따른 전기장이 수백 펨토초(10-15초)에 걸쳐 형성되며, 또한 수 십 피코초(10-12초) 수준에 걸쳐 사라진다는 사실을 밝혀냈다.

□ 지스트 이종석 교수는 “본 연구 성과는 반도체 표면에서 광 여기된 전하들의 초고속 움직임을 실시간으로 추적한 의미있는 결과이며, 향후 태양전지나 광촉매 관련 소자를 개발하고 성능을 향상시키는 데 있어 크게 기여를 할 것으로 기대된다”고 말했다.

□ 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 사업, 선도연구센터 사업 등의 지원을 받아 재료과학, 코팅 분야의 세계적인 학술지인 ‘Applied Surface Science’에 2021년 9월 17일 온라인 게재되었다.