반도체 특성분석의 핵심 기술인 홀 효과(Hall effect) 한계를 넘을 수 있는 새로운 반도체 정보 분석기술이 개발됐다. 이범 기술은 태양 전지, 발광 다이오드와 같은 광전자 소자 분야에서 사용 가능한 신소재 개발과 최적화에 핵심적 역할을 할 것으로 기대된다. 카이스트(KAIST) 신소재공학과 신병하 교수와 IBM 연구소의 오키 구나완(Oki Gunawan) 박사 공동 연구팀이 관련 기술을 선보였다.

이번 연구는 140년 전에 처음 발견된 이래로 반도체 연구와 재료 분석의 토대가 된 홀 효과 측정에 대한 새로운 발견으로 앞으로 반도체 기술 개발에 이바지할 것으로 기대된다.

1879년 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견한 홀 효과는 물질의 전하 특성(유형, 밀도, 이동성 또는 속도)에 대한 중요한 정보를 제공한다. 반도체 소자를 이해하고 설계하는 데 필요한 가장 기본적 특성들이다. 이러한 이유로 홀 효과는 지난 100년이 넘는 시간 동안 가장 일반적 반도체 특성분석 기법의 하나며 전 세계 반도체 연구기관에서 보편적으로 사용되고 있다.

현재까지 분석 기법으로는 홀 효과를 통해 다수 운반체(Majority carrier)와 관련한 특성만 파악할 수 있고, 태양 전지와 같은 소자의 구동 원리 파악에 필수인 소수 운반체(Minority carrier) 정보는 얻을 수 없다는 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 ‘포토 홀 효과(Carrier-Resolved Photo-Hall" (CRPH))’ 기술을 개발했다. 이 기술을 사용하면 한 번의 측정으로 다수 운반체와 소수 운반체에 대한 많은 정보를 동시에 추출할 수 있다. 기존 홀 측정에서는 세 가지 정보를 얻을 수 있었다면 연구팀의 새로운 기술은 실제 작동 조건을 포함한 여러 광도에서 광여기 전하의 농도, 다수 운반체 및 소수 운반체의 전하 이동도, 재결합 수명, 확산 거리 등 최대 일곱 개의 중요한 정보를 얻을 수 있다.

신 교수는 “지난 2년 동안 연구한 결과가 좋은 결심을 맺게 돼 기쁘다”며 “이번 기술을 통해 새로운 광소자 물질의 전하 수송 특성을 이해하고 더 나은 소자를 개발하는 데 큰 도움이 되리라 믿는다”고 말했다.

신병하 교수와 오키 구나완 박사가 교신 저자로 배성열 박사과정이 2 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 10월 7일 자 온라인판(논문명: Carrier-Resolved Photo Hall Effect)에 실렸다.