NTT 코퍼레이션(NTT Corporation, 이하 NTT)과 일본 국립 재료 과학 연구소(NIMS)가 그래핀 광검출기(PD)[1]로 세계에서 가장 빠른 제로 바이어스 작동(220GHz)에[2] 성공했다.

NTT와 NIMS이 진행한 이번 연구는 그래핀의 광학-전기(O-E) 변환 과정을 처음으로 규명했다. 그래핀은 테라헤르츠(THz)에서 자외선(UV)에 이르는 광범위한 전자파에 대해 높은 감도와 빠른 전기적 응답성을 나타낸다. 따라서 기존의 반도체 소자가 작동하지 않는 파장대에서 고속 O-E 변환을 가능하게 하는 유망한 광검출용 소재라고 할 수 있다. 하지만 지금까지 증명된 제로 바이어스 동작 속도는 기존 장치 구조와 측정 장비로 70GHz를 넘어서지 못했다. 이 때문에 그래핀 PD로 200GHz의 작동 속도를 달성하고 O-E 변환 과정과 같은 그래핀 고유의 특성을 입증하는 것이 중요한 과제로 여겨진다.

NTT와 NIMS는 연구를 통해 산화아연(ZnO) 박막을 게이트 재료로 사용하고 빠른 속도로 전류를 판독하는 온칩 테라헤르츠 분광 기술을 적용해 소자 구조에 따른 전류 지연을 제거함으로써 220GHz의 3dB 대역폭에서 고속 작동이 가능하다는 것을 증명했다. 또 다양한 품질의 그래핀으로 제작한 PD의 특성을 비교해 작동 속도와 감도의 절충 지점을 찾았다. 따라서 감도를 우선시하는 광학 센서나 속도를 우선시하는 O-E 신호 변환기와 같이 용도에 따라 그래핀 PD를 최적화할 수 있게 됐다. 이 같은 획기적인 연구 결과는 2022년 8월 25일 영국의 과학 저널인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 온라인으로 게재됐다.

연구팀은 전력 소비와 신호 대비 잡음 비율을 개선하는 데 필요한 제로 바이어스 동작을 지원하는 광열전기(PTE) 효과[3]에 초점을 두고 그래핀의 O-E 변환을 연구했다. 이를 통해 기존에 알려진 바와 달리 전류의 응답 시간이 PD의 크기와 거의 무관하다는 것을 밝혀냈다. 이번 연구에서는 광 조사(light irradiation)에서 전류 생성까지 걸리는 시간은 캐리어 밀도에 따라 100fs 미만에서 4ps 초과까지 크게 달라질 수 있는 것으로 나타났다.

이런 결과는 그래핀을 고속 광대역 광검출기로 활용할 수 있다는 가능성을 뒷받침한다. 그러나 그래핀이 흑연에서 박리돼 양산에는 적합하지 않은 것으로 나타났다. NTT 연구원들은 앞으로 양산이 가능한 넓은 면적의 그래핀으로 PD를 평가할 예정이다. 이들은 현재 그래핀과 다른 2차원 물질(단층 또는 다층 원자층 물질)을 적층해 자연에 존재하지 않는 물질을 활발히 만들고 있다. 또 이 기술을 최대한 활용해 더 빠른 작동이 가능한 소재를 찾을 계획이다. 이번 연구에 관한 자세한 내용은 이 링크(https://group.ntt/en/newsrelease/2022/09/12/220912a.html)에서 확인할 수 있다.

[1] 광신호를 전기 신호로 변환해 전기적으로 빛을 감지하는 장치

[2] 특히 그래핀에서 전력 소모와 신호 대비 잡음 비율을 개선하기 위해서는 제로 바이어스 동작이 필수적이다.

[3] 전압 발생을 위해 재료에 빛을 조사해 온도를 변화시킨다.

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