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미쓰비시전기, 그래핀으로 기존 대비 100배의 감도를 가진 적외선 수신 소자 개발
냉각이 필요 없는 집적화도 실현

미쓰비시전기(三菱電機)가 1층의 탄소 원자로 구성된 2차원 재료인 그래핀을 사용해 기존 대비 약 100배의 감도를 가진 적외선 수신 소자를 개발했다. 실온에서 동작하기 때문에 냉각이 필요 없으며, CMOS(상보형 금속 산화막 반도체) 기술로 배열(Array)해 적외선 이미지센서를 제작하는 것도 가능하다고 한다. 미쓰비시전기는 2026년 1월 28일, 이번 기술 개발에 관한 논문을 발표했다.

이번에 개발된 것은 유전체층에 니오브산리튬(LiNbO₃)을 사용한 전계 효과 트랜지스터(FET) 타입의 수광 소자이다. 동작에는 주로 ‘초전광게이트 효과(Pyro-photogate Effect)’라고 불리는 현상을 사용. 파장 5μ~20μm의 중원적외선을 상정하고 있다.

미쓰비시전기는 수 년 전부터 그래핀을 채널층에 사용하는 초고감도 수광 소자와 이미지센서를 개발해 왔다. 수광 소자의 반도체 재료를 바꿈으로써 수광이 가능한 빛이나 적외선 파장대를 바꿀 수 있다는 것이 특징이다. 그래핀은 화학기상증착법(CVD)으로 제조한다.

최근에는 파장이 3μ~5μm인 중적외 영역을 목표로 반도체층에 인듐 안티모나이드(InSb)를 사용한 1280×1024화소의 고정밀 적외선 이미지센서도 개발했다. 이 센서는 광전 효과에 의한 ‘광게이트 효과’를 활용하는 것이 핵심이다. 반도체층에 빛을 조사하면 광전 효과로 기전력과 전자가 발생하며, 이것을 게이트 전압이나 캐리어 수의 부분적 제어에 활용해 수광 스위치 및 감도를 제어할 수 있다.

단, 이 적외선 이미지센서는 액체 질소로 냉각해 사용하는 것이 전제로, 용도가 제한적이다. 미쓰비시전기는 이번에 새롭게 냉각이 필요 없는 초고감도 적외선 수신 소자를 개발했다.

-- 열에 의해 발생하는 분극을 이용 --
이 센서에서 사용되는 초전광게이트 효과는 광전 효과에 의한 광게이트 효과의 초전 효과 버전이다. 초전 효과는 세라믹 등 유전체에 온도 변화가 발생하면, 이에 대응해 유전체에 자발적인 분극이 생기는 현상을 말한다. 미쓰비시전기는 이것을 광전 효과 대신에 게이트 전압의 부분적 제어에 사용했다.

초전 효과를 이용하지만 그래핀 등은 사용하지 않는 적외선 수광 소자는 ‘초전형 적외선 센서’ 혹은 ‘파이로 센서’라고 불린다. 이미 인체 감지 센서 등의 용도로 널리 사용되고 있다.

하지만 기존의 초전형 적외선 센서에는 여러 가지 해결 과제가 있다. 감도가 낮고, 응답이 느리며, 제조 비용이 높고, 고화질화가 쉽지 않으며, 파장 선택성이 낮다는 점 등이다. 열에 의해 소자의 전기 저항값이 변하는 것을 이용하는 ‘볼로미터(Bolometer)’라고 불리는 유형의 센서도 있지만, 동일한 과제가 있다.

-- 니오브산리튬을 원자층 단위로 증착 --
이번 수광 소자는 이러한 기존의 초전형 적외선 센서와는 적어도 두 가지 점에서 크게 다르다. 첫 번째는 그래핀을 FET의 채널층에 사용하는 것. 두 번째는 유전체로 사용하는 니오브산리튬의 두께를 매우 얇은 50nm로 만든 것이다. 이를 통해 과제였던 감도와 응답성, 실리콘 기판 위의 집적성을 크게 향상시켰다.

니오브산리튬은 광전융합 기술 등에도 사용되는 다기능 소재이지만, 지금까지는 고온의 용광로 안에서 용융시킨 후에 단결정 잉곳을 제조하고 이를 절단해 사용해 왔다. 최종 공정으로 섭씨 400도 이상의 고온에서 가열(어닐링)해야 할 필요도 있었다.

하지만 이 방법은 박막화에 한계가 있고, 더 나아가 실리콘 기판 상에 집적하기도 어렵다. 충분히 박막화하지 못할 경우, 열 용량이 커져 센서의 응답성 및 감도가 떨어진다. 설령 박막화에 성공하더라도 고온의 어닐링으로 회로가 손상되는 문제가 있다.

미쓰비시전기는 이번에 니오브산리튬을 실리콘 기판 상에 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 적층하는 기술을 개발했다. 이를 통해 두께 50nm의 초박막화와 집적성의 대폭적인 향상을 동시에 달성할 수 있었다고 한다. ALD는 원자를 1층씩 적층하는 기술로, 섭씨 350도와 같은 비교적 저온에서 성막할 수 있기 때문에 회로에 영향을 주지 않는다. 형성된 박막은 균일성이 높고 결함도 없다고 한다.

미쓰비시전기가 구체적인 성능 지표로 제시한 것이 감도이다. 파장이 10.5μm인 경우, 적외선 1W당 187kV로, “이것은 기존의 비냉각형 적외선 센서의 약 100배.”(미쓰비시전기)라고 한다.

소자는 13μm×10μm로, 향후 배열을 상정한 크기로 설계했다. FET형이기 때문에 암전류는 크지만, 감도가 높아 사용상의 문제는 없다고 한다.

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