Bi₂O₂Se 나노박막, 근적외선 광검출에서 101 A/W 응답도·30ms 응답·20,300% 양자효율 달성

요약

본 논문에서는 다층 Bi₂O₂Se 나노박막의 근적외선(NIR) 광전 특성을 체계적으로 연구했습니다. 다층 Bi₂O₂Se 나노박막은 NIR에 민감한 광응답을 보이며, 높은 광응답도(~101 A/W), 빠른 응답 시간(~30ms), 높은 외부 양자 효율(~20,300%), 높은 검출률(1.9×10¹⁰ Jones)을 나타냅니다. 이러한 결과는 다층 Bi₂O₂Se 나노박막 기반 소자가 초고속, 고감도 NIR 광전자 소자 미래 응용에 큰 잠재력을 가짐을 시사합니다.

배경

적외선(IR) 광검출기는 군용, 상업용, 공공, 학술 분야의 정교한 응용으로 널리 연구되어 왔습니다[1-3]. 지난 10년간 그래핀, 전이 금속 칼코게나이드(TMDs), 흑린 등 2차원(2D) 물질이 IR 응용에 큰 잠재력을 가진 유망 후보로 부상했습니다[4-9]. 2D 물질의 흥미로운 특성(초박막 두께, 높은 기계적 유연성, 적절하고 조절 가능한 밴드갭, 초고속 광전 특성, 쉽게 조절 가능한 반데르발스 헤테로구조) 덕분에 2D 층상 물질이 차세대 광검출기 경쟁력 있는 IR 매체로 간주됩니다[10-12].

최근 층상 비스무트 옥시셀레나이드(Bi₂O₂Se)가 높은 전자 이동도, 초고속 광응답, 우수한 환경 안정성, 용이한 화학 기상 증착(CVD) 법으로 대량 생산 가능 등 매력적 특성을 가진 유망한 2D 반도체로 발견되어 전자 및 광전자 응용에 주목받습니다[7,8,13-15]. 앞서 He Jun 그룹[7]과 Peng Hailin 그룹[8]이 Bi₂O₂Se가 NIR에 우수한 광전 특성을 가짐을 연이어 보고했습니다. 그러나 이들은 주로 얇은 층 Bi₂O₂Se(두께 ~7nm)에 초점을 맞췄습니다. MoS₂[16], MoSe₂[17,18] 등 다른 2D 물질 선행 연구에서는 다층 나노플레이크가 단일층이나 얇은 층보다 뛰어난 광전 성능을 보임이 밝혀졌습니다. 실제로 다층 Bi₂O₂Se는 박막 트랜지스터(TFT) 구성에서 FET 응용에 얇은 층보다 더 매력적일 수 있습니다[16,19]. 예컨대 다층 Bi₂O₂Se 상태 밀도가 얇은 층보다 훨씬 높아 탄도 한계에서 상당히 높은 구동 전류를 생성할 수 있습니다[13,14]. 장채널 TFT에서 다층 Bi₂O₂Se에 전장 효과로 다중 전도 채널이 생성되어 실리콘-온-인슐레이터 MOSFET처럼 TFT 구동 전류를 높일 수 있습니다[19]. 또한 다층 Bi₂O₂Se는 더 좁은 밴드갭으로 얇은 층보다 넓은 스펙트럼 응답을 제공하여 다양한 광검출기 응용에 유리합니다[20]. 그럼에도 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기는 전자나 광전자 분야에서 광범위하게 연구되지 않았습니다.

따라서 본 논문에서는 다층 Bi₂O₂Se(두께 ~30nm) NIR 광전 특성을 체계적으로 연구했습니다. 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기는 850~1550nm에서 우수한 재현성으로 초고감도 광응답을 상온에서 보입니다. 1000nm에서 광응답도 101 A/W, 상승 시간 30ms, 감소 시간 60ms로 빠른 응답 시간을 가집니다. 얇은 층 Bi₂O₂Se와 비교해 다층 Bi₂O₂Se는 더 높은 광응답도와 외부 양자 효율을 가지면서도 상대적으로 빠른 응답 시간과 높은 검출률을 유지합니다. 또한 광전류가 입사 파워에 선형 의존성을 보여 다목적 응용에 좋은 조정 가능성을 제공합니다. 이러한 결과는 차세대 초고감도 고성능 NIR 상온 광검출기 개발 기회를 제공합니다.

방법

Bi₂O₂Se 성장 및 특성 분석

Bi₂O₂Se 나노박막은 화학 기상 증착(CVD) 법으로 합성했습니다. Bi₂O₃와 Bi₂Se₃(Alfa Aesar)를 수평 관형로(Lindberg/Blue M) 중앙에 놓고, 운모 기판(Tiancheng Fluorphlogopite Mica Co. Ltd., 중국)을 하류에 기판으로 배치했습니다. 로를 30°C/min 승온 속도로 640°C까지 가열하고 아르곤 가스 흐름 하에서 60분 유지했습니다. 마지막으로 로를 자연 냉각하여 실온까지 내렸습니다. 합성 시료는 광학 현미경(올림푸스 BX51), 라만 분광법(WiTec 300R), 원자 힘 현미경(반접촉 모드, NT-MDT), 주사 전자 현미경(FEI)으로 특성 분석했습니다. 여기서는 SEM 특성 분석 전 운모 기판 대전 효과 방지를 위해 10nm 알루미늄을 열증착했습니다.

소자 제작

다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기는 표준 마이크로-나노 기술로 제작했습니다. 소스 및 드레인 접촉은 전자빔 리소그래피로 정의한 후 5nm Cr/50nm Au 금속 스택을 전자빔 증착으로 형성했습니다. EBL 공정 중 운모 기판 대전 축적 방지를 위해 도전성 고분자 포토레지스트(SX AR-PC-5000)를 EBL 전 운모에 스핀 코팅했습니다. 마지막으로 소자를 칩 캐리어에 본딩하여 추가 광전 측정을 위해 준비했습니다.

성능 측정

광전류 측정은 자작 크세논 램프(광원: BETICAL HDL-II) 광검출 플랫폼으로 수행했습니다. 측정에서 Keithley 2450으로 소스-드레인 바이어스를 공급했습니다. 빛을 켜고 끄며 온/오프 상태 드레인 전류를 수집했습니다. 다른 필터를 교체하여 850~1550nm 파장대에서 소자 광전 응답을 얻었습니다.

결과 및 토의

그림 1a에서 층상 Bi₂O₂Se는 I4/mmm 공간군 사방정계 구조를 보이며, 평면 공유 결합 산화물 층(Bi₂O₂)이 비교적 약한 정전기적 상호작용으로 Se 정방 배열 사이에 끼여 있습니다[21]. 이러한 구조는 운모와 유사합니다. 따라서 2D Bi₂O₂Se 나노박막은 지금까지 운모 기판에서 CVD 법으로 모두 합성되었습니다[7,14,15]. 그림 1b는 성장한 다층 Bi₂O₂Se 나노박막의 넓은 면적 광학 이미지로, 나노박막이 균일하고 거의 직사각형 형태임을 명확히 보여줍니다. 본 실험 Bi₂O₂Se 나노박막 원자 힘 현미경(AFM) 이미지는 그림 1c에 있습니다. 단일층 이론 두께(≈0.61nm)[14,15] 기준 30nm(그림 1d)는 약 49층 두께에 해당합니다. 그림 1e는 Bi₂O₂Se 나노박막 XRD 패턴으로, 식별 가능한 피크 모두 Bi₂O₂Se (00l) 회절면에 기인하며 결정 방향이 c-축 방향임을 보여줍니다(선행 연구와 일치[14]). Bi₂O₂Se 특성 A₁g 피크는 라만 스펙트럼(그림 1f)에서 ≈159.1cm⁻¹에서 발견되며 선행 보고와 잘 일치합니다[22]. 그림 1g는 Bi₂O₂Se 소자 대표 I-V 곡선으로, 우수한 선형 I-V 곡선은 옴 접촉 형성을 나타냅니다. 또한 2D Bi₂O₂Se 기반 광검출기는 3개월 공기 노출 후에도 우수한 환경 안정성을 보이며 이는 미래 실용 응용 핵심 지표입니다[14,15]. 그림 1h에서 측정 소자 길이와 너비는 각각 29μm, 91μm입니다.

그림 2a에서 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기 NIR 광전 응답을 의도적으로 측정했습니다. 여기서는 군사, 상업, 공공, 학술 분야에 널리 적용되는 통신 대역(1550nm) 소자 성능을 주로 논의합니다. 그림 2b에서 빛 세기 증가에 따라 I_DS가 명백히 증가합니다. 또한 조명 하 소자 I-V 곡선은 명백한 개방 회로 전압과 단락 전류를 보이지 않습니다. 이는 전극과 물질 간 형성된 쇼트키 장벽이 소자 수송 특성에 결정적 역할을 하지 않음을 의미합니다. 따라서 물질 광전 응답은 주로 광전도 효과에서 기인해야 합니다[10].

광검출기 성능 평가를 위해 광응답도(R), 외부 양자 효율(η), 검출률(D*)이 핵심 파라미터로 식 1-3으로 계산됩니다[10,17]:

$$ R={I}_{ph}/ PS $$ (1)

$$ \eta \left(\lambda \right)={R}_{\lambda } hc/ q\lambda $$ (2)

$$ {D}^{\ast }={I}_{ph}/P{\left(2 qS{I}_d\right)}^{1/2} $$ (3)

여기서 I_ph는 광전류(조명(I_i) 및 암전류(I_d) 상태 드레인 전류 차이), P는 빛 세기, S는 유효 면적, h는 플랑크 상수, c는 빛 속도, λ는 빛 파장, q는 전자 전하입니다. 여기서는 암전류가 쇼트 노이즈 주요 기여자라 가정하여 식 3을 유도했습니다[7]. 이 단순화는 그래핀[23], WSe₂[24] 등 2D 층상 물질 광응답 평가에 사용되었습니다.

그림 2c에서 소자는 여러 주기 후 1550nm 빛에 매우 안정적이고 반복 가능한 광응답을 보입니다. 응답 시간은 매우 빨라 상승 30ms, 감소 60ms에 도달합니다. 이는 성장한 초박막 Bi₂O₂Se 나노박막에 표면 트랩 상태와 얕은 결함 에너지 준위가 없기 때문입니다. 마지막으로 그림 2d에서 I_ph는 P 증가에 따라 단조롭게 증가하며 I~P^α 관계를 따릅니다. 실험 데이터 피팅으로 Bi₂O₂Se α는 0.99로 추출되어 광전류가 주로 흡수 광자량에 의해 결정됨을 시사합니다[7]. 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기 광응답도는 약 68 A/W로 광검출기로서 극히 높은 성능을 보입니다.

다음으로 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기 NIR 파장대(850~1550nm) 광전 응답 성능을 체계적으로 연구했습니다. 공식 (1)~(3) 계산으로 광응답도, 외부 양자 효율, 검출률을 그림 3에 나타냈습니다. 소자가 NIR 대역에 매우 높은 광응답도를 가지며 900nm에서 101 A/W에 도달함을 알 수 있습니다. 또한 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기는 초고 η를 가지며 850nm에서 20,000% 초과하여 우수한 광전 변환 능력을 나타냅니다. 검출률은 900nm에서 1.9×10¹⁰ 도달하여 광검출기로서 완벽한 신호 대 잡음비를 보입니다. 측정에서 소자 암전류는 항상 상대적으로 안정된 값(0.5μA)을 유지합니다. 따라서 D*(입사 파장 함수) 경향은 R 경향과 유사합니다. 명백히 얇은 층 Bi₂O₂Se[7,8]와 비교해 다층 Bi₂O₂Se는 더 높은 광전 응답도와 외부 양자 효율을 가지며(소스-드레인 바이어스 전압 1V, [7,8]과 동일), 상대적으로 빠른 응답 시간과 높은 검출률을 유지합니다. 주목할 점은 [8]에서 펌프-프로브 기술로 물질 고유 응답 시간(1ps)만 보고했고 Bi₂O₂Se 광검출기 소자 응답 시간은 보고하지 않았습니다[8].

일반적으로 2D 층상 물질은 NIR 검출 범위에서 아직 그런 높은 감도를 보이지 못했습니다. 예컨대 전이 금속 칼코게나이드(TMDs)는 보통 너무 큰 밴드갭으로 IR 빛 검출이 어렵습니다[17], 그래핀은 고속 광응답을 보이지만 고유 감도가 수십 mA/W 미만으로 매우 낮습니다[25]. 원자 헤테로구조 제작으로 광응답도 개선이 가능하지만[26-28], 여전히 NIR 검출에서 완벽하지 않습니다. 다른 2D 물질과 비교(표 1)해 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기가 더 우수한 광전 성능, 특히 높은 R과 η를 보입니다. 화학 식각으로 다층 Bi₂O₂Se 나노박막 형상 최적화 시[15] 소자 성능이 더 향상될 수 있습니다.

Bi₂O₂Se 기반 광검출기 광응답 물리적 과정은 간단한 에너지 밴드 다이어그램(그림 4a)으로 설명 가능합니다. 조명 없이 드레인 바이어스 없이 소자는 평형 상태이며 채널에 전류 흐름이 없습니다. NIR 빛으로 소자 조명 시 빛 흡수와 전자-정공 쌍 여기 발생, 드레인-소스 바이어스 인가로 추출 가능합니다[29-31]. Bi₂O₂Se-금속 접촉 쇼트키 장벽이 매우 낮아 광생성 캐리어가 장벽을 쉽게 통과합니다[16-18]. 따라서 다층 Bi₂O₂Se 기반 광검출기가 우수한 광전 성능을 보입니다.

중요하게, 향상된 광전 성능 메커니즘을 논의해야 합니다. 이론적으로 다층 Bi₂O₂Se 광 흡수율이 얇은 층보다 높아 더 높은 광전류 I_ph 유도 가능합니다[14,20]. 입사 파워 P(x)는 거리 x 함수로 P(x)=P_in·e^(-α·x) 표현 가능, α는 입사 광자 에너지에서 Bi₂O₂Se 나노박막 흡수 계수입니다. 표면 거리 x에서 두께 Δx Bi₂O₂Se 슬랩이 흡수하는 파워량은 dR_a=-(dP/dx)·Δx입니다. 그러면 두께 d Bi₂O₂Se 박막 총 흡수 파워는 R_a=P_in·(1-e^(-α·d))입니다. α·d≪1일 때 흡수 파워는 R_a=P_in·α·d로 쓸 수 있습니다[16,19]. 본 실험 두께 d는 [7]의 5배, [8]의 3배입니다. 사실 다층 Bi₂O₂Se 나노박막이 더 나은 R_a를 가집니다. 그러나 광 흡수 증가와 함께 다층 Bi₂O₂Se는 더 높은 상태 밀도(DOS)로 단일층(또는 얇은 층)보다 더 많은 중갭 상태를 가집니다[13,14]. 그림 4b에서 소자가 '온 상태'에서 '오프 상태'로 전환될 때 다층 Bi₂O₂Se 높은 밴드 여기 전자가 먼저 중갭 상태로 전이한 후 바닥 밴드로 돌아갑니다[16,17,19]. 즉 캐리어 수명 τ가 필연적으로 기울어집니다. '오프 상태'에서 '온 상태' 전환 시에도 같은 상황이 발생합니다. 흥미롭게도 선행 연구 대비 다층 Bi₂O₂Se 나노박막은 여전히 많은 응용에 만족스러운 빠른 응답 시간을 가집니다[1-3]. 이는 중갭 상태 존재가 Bi₂O₂Se 나노박막 동적 성능에 해롭지 않을 수 있음을 의미합니다. 마지막으로 크게 향상된 η에 두 주요 이유가 핵심적 역할을 합니다. 첫째, 층 증가가 입사 광자 흡수율을 높입니다. 둘째, 중갭 상태 존재로 여기 전자 전이 채널이 더 많아집니다. 따라서 η가 유의하게 증가합니다[16,19].

결론

요약하자면, 다층 Bi₂O₂Se(두께 ~30nm) 기반 광검출기 광전 특성을 제시했습니다. 다층 Bi₂O₂Se는 850~1550nm에서 우수한 재현성으로 상온 초고감도 광응답을 보이며, 높은 광응답도, 빠른 응답 시간, 높은 외부 양자 효율, 높은 검출률을 포함합니다. 결과는 다층 Bi₂O₂Se가 얇은 층보다 상대적으로 더 나은 광응답을 가짐을 나타냅니다.

데이터 및 자료 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다.

약어

NIR:

근적외선

IR:

적외선

TFT:

박막 트랜지스터

AFM:

원자 힘 현미경

SEM:

주사 전자 현미경

CVD:

화학 기상 증착

TMDs:

전이 금속 칼코게나이드