광전소자는 태양광전지판, 카메라 및 조명등을 포함하여 우리 일상생활에서 널리 사용되고 있다. 또한 미래산업인 자율 주행 차량, 양자 정보, 양자 컴퓨팅 및 우주산업에서의 핵심 소자로 자리하고 있다. 반도체 재료는 광전소자 기술의 핵심이며, 이러한 재료는 특정 전자 밴드 갭이 있어 빛-물질 상호작을 통해 빛에너지/신호를 전기 에너지/신호로 전환하여 사용할 수 있다. 빛의 흡수에 의한 반도체 물질의 캐리어 밀도가 변화하며 이를 통해 광전류를 일으키고 다양한 기능성 소자 제작을 가능하게 한다. 빛에 의해 여기된 광캐리어의 동역학 과정은 모든 광전소자 설계와 제작에 있어서 중요한 역할을 한다. 지금까지 개발될 모든 광전소자는 반도체의 밴드 가장자리 상태에 위치한 '냉각된' 캐리어를 활용하며, 이러한 캐리어는 빛 자극 후 1 ps 이내에 '뜨거운' 핫 캐리어의 냉각으로 생성된다. 그러나 이러한 냉각 과정은 격자와의 상호 작용으로 인해 상당한 에너지 소모와 가열 문제를 야기한다. 더 효율적인 광-전 변환 소자를 추구하기 위해 반도체로부터 '뜨거운' 캐리어를 직접 추출하는 것이 새로운 광전자 기술의 이상적인 방법이다. 이를 실현하기 위해서는 원자 단위의 매우 작은 채널 길이를 갖는 초단채널 광전소자 개발이 필요하다. 그러나 기존에는 이러한 얇은 소자는 광흡수가 매우 약하며, 나노미터 두께의 고결정성 반도체 필름의 합성 또한 매우 극복하기 어렵다. 이차원 (2D) 소재의 출현으로 원자단위 두께의 광전소자 제작이 가능해졌고 초고속으로 뜨거운 핫캐리어 추출을 실현할 가능성이 생겼다.

본 연구에서는 이러한 핫캐리어 광전소자 실현을 목표로 전극 계면에서의 캐리어 동역학 분석 및 수직구조 소자 측정 등 광학적/전기적 방법을 결합하여 핫 캐리어 소자 실현 가능성을 탐구하였다. 2D 반도체/금속 전극 인터페이스에서 핫 캐리어 냉각, 핫캐리어 추출 및 캐리어의 재결합과 같은 초고속 캐리어 동역학에 집중하여 연구하였으며 다양한 전극 제작방법에 따라 변하는 전극 계면과 이에 의존하는 캐리어 동역학 과정을 탐구하였다. 또한 초고속 흡수/반사 분광법 기술을 이용하여 전극 인터페이스에서의 캐리어 역학을 정량적으로 측정하고 분석하였다. 단일원자층 2D 소재에서 금속 전극으로 뜨거운 캐리어의 이동을 확인하였고 벌크상의 이차원 반도체와 금속 간 인터페이스에서도 뜨거운 캐리어 추출의 가능성을 검증하였다. 나아가 계면에서의 결함 혹은 불순물의 영향을 최소화하기 위하여 van der Waals 금속 마스크 기술을 개발하고 이를 이용하여 2D 반도체 및 금속의 접합구조 샘플을 구축했다. 이에 더해 전극공정 및 광전자 동역학 지식을 이용하여 이차원 물질 기반의 수직구조의 태양전지 소자 및 고성능의 광검출기를 구현하였고, 응용 가능성을 시사했다. 본 연구에서 진행한 핫캐리어 동역학 연구결과는 미래 이차원 소재기반 핫캐리어 광전소자 개발에 기반 역할을 할 것이다.