물리학과 김지희 교수 연구팀이 단순한 수직형 금속/2차원 반도체/금속(MSM) 구조로 고성능 광센서를 구현, 기존 실리콘 포토다이오드*에 필적하는 수준의 감도와 속도, 안정성을 달성했다. 복잡한 계면 엔지니어링 없이 2차원 소재로 실리콘 급 성능을 실현한 이번 연구는 차세대 유연 광전자 소자의 실용화를 앞당길 핵심 플랫폼 기술로 기대된다.

* 실리콘 포토다이오드: 실리콘으로 만든 빛 센서. 빛이 실리콘에 닿으면 전자가 이동하면서 전류가 발생하고, 이 전류를 통해 빛의 세기나 변화를 감지한다. 감도, 속도, 안정성이 뛰어나 카메라, 거리 센서, 의료기기, 광통신 등 다양한 분야에 널리 사용된다. 다만, 실리콘은 유연하지 않고 두께가 있어, 복잡한 회로 집적이나 고감도 맞춤형 설계가 요구되는 경우 비용과 설계 난이도가 높아질 수 있다. 

기존 2차원 광센서 구조는 전하 수송 거리가 길고 계면 결함에 의한 전하 손실이 커 초고속 응답과 고감도 구현에 제약이 있었다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 단순 수직형 금속/2차원 반도체/금속(MSM) 접합 구조를 도입해, 기존 수평형 센서와 달리 전류가 수직 방향으로 짧게 흐르도록 유도했다. 

또한, 비대칭 전극을 활용해 전기장을 계면에 집중시켜, 광여기*된 핫캐리어(hot carrier)**가 짧은 경로를 따라 빠르게 추출되고, 손실 없이 전류로 전환될 수 있도록 했다.

* 광여기: 빛이 물질에 닿아 전자를 들뜨게, 즉 에너지를 높게 만드는 현상.

** 핫캐리어: 빛이나 전기 에너지를 받아 매우 높은 에너지를 가진 전자 및 정공.

그 결과, 0.8 pA의 낮은 암전류, 49%에 달하는 높은 외부양자효율(EQE), 337 ps의 초고속 응답 속도를 단일 구조에서 동시에 달성하며, 실리콘 포토다이오드와 대등한 수준의 성능을 2차원 소재 기반 광센서로 구현했다. 

기존 실리콘 포토다이오드가 3차원 실리콘을 사용해 딱딱하고 두꺼운 데 반해 2차원 광센서는 원자 한두 층 정도의 두께를 가진 얇고 유연한 2차원 소재를 기반으로 한다. 따라서 이번 연구 성과는 복잡한 계면 엔지니어링 없이도 실리콘급 성능을 달성했다는 점에서, 광센서의 소형화·집적화·유연화 등 차세대 초박막 2차원 광전자 소자의 실용화를 앞당길 수 있는 핵심기술로 평가된다. 

【실리콘 포토다이오드와 비교한 2차원 수직형 광센서의 구조 및 성능】

이번 논문은 ‘Silicon photodiode-competitive 2D vertical photodetector(실리콘 포토다이오드 수준의 2차원 수직형 광센서)’라는 제목으로 국제 학술지 『npj Flexible Electronics』 2월 24일자에 게재됐다.

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00386-8 

해당 연구는 올해 1월 『Science Advances』에 게재된 연구팀의 선행 논문 ‘Ultrafast Hot Carrier Extraction and Diffusion at the MoS₂/Au Van der Waals Electrode Interface’에서 제시한 핫캐리어 추출 메커니즘을 실제 소자 구현으로 확장한 것이다. 선행 연구에서는 금속-반도체 계면에 강한 화학 결합 대신 반데르발스(van der Waals) 접촉을 도입해 계면 결함을 최소화하고, 핫홀(hot hole)의 초고속 추출 및 sub-나노초 수준의 캐리어 수명을 확보함으로써 핫캐리어 손실 억제가 가능함을 실험적으로 증명했다.

이번 후속 연구에서는 이러한 핫캐리어 추출 메커니즘을 바탕으로, 소자 구조 설계 단계에서부터 계면의 전기장 집중과 결함 억제를 통해 핫캐리어가 빠르게 추출되고, 손실 없이 안정적으로 신호로 변환되는 경로를 최적화했다. 이를 통해 기존 수평형 2차원 광센서에서 해결되지 않았던 속도·감도·소형화의 삼중 과제를 동시에 해결했다.

이 기술은 단순한 광센서 응용뿐만 아니라, 양자 센서, 인공 후각 센서, 웨어러블 디바이스, 이론 한계를 뛰어넘을 핫캐리어 태양전지 등 초고속 반응성과 고감도를 동시에 요구하는 차세대 기능성 전자 소자와도 높은 기술 접점을 형성한다. 

이번 연구의 교신저자인 김지희(사진) 교수는 “이번 연구는 기초 물리 특성 분석에서 시작한 핫캐리어 제어 전략이 실질적인 소자 구현으로 확장되며, 양자정보 소자나 생체모방 센서 분야 등 차세대 기술과의 연결 고리를 명확히 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 밝혔다. 

[Abstract]

Emerging two-dimensional (2D) materials offer significant potential for post-silicon photodetectorsbut often fall short of matching silicon photodiode performance. Here, we report a flexible, highperformance photodetector with a simple metal-2D semiconductor-metal structure by stacking Ti/WSe2/Ag layers on a mica substrate. The device demonstrates a low dark current of 0.8 pA, highexternal quantum efficiency of 49%, a broad linear dynamic range of 86 dB, wide spectral sensitivity(350–1200 nm), and ultrafast response speed (~1 μs rise/fall time by conventional measurement and337 ps via ultrafast photocurrent method). These advances originate from efficient photocarrierextraction via an ultrashort channel and Schottky barriers facilitated by van der Waals contacts.Additionally, the device’s ultrathin (~200 nm) profile ensures exceptional bending durability, whileencapsulation protects against ambient degradation. Our strategy here will promote the developmentof the post-silicon photodetector and foster next-generation flexible optoelectronic applications.

- Author (Pusan National University): Ji-Hee Kim (Department of Physics) 

- Title of original paper: Silicon photodiode-competitive 2D vertical photodetector

- Journal: npj Flexible Electronics

- Web link: https://doi.org/10.1038/s41528-025-00386-8 

- Contact email: kimjihee@pusan.ac.kr