[유성규 학생/조경준 박사(KIST)/이탁희 교수] 광 프로그래밍을 통한 저잡음·고성능 이차원 광트랜지스터 구현 (ACS Nano 논문 게재)
Noise-Suppressed High-Performance WSe2 Phototransistors Enabled by Optically Programmed Remote Contact Doping
광 프로그래밍을 통해 이차원 광트랜지스터의 전하 주입을 개선하고 잡음을 억제한 연구가 국제학술지 ‘ACS Nano’에 게재되었다. 이차원 광트랜지스터에서 전극과 반도체 사이의 접촉 특성을 개선하는 것은 성능 향상을 위한 중요한 연구 과제로, 다양한 접근법이 연구되고 있다. 접촉부 도핑은 전하 주입을 개선하는 방법 중 하나이지만, 도핑 방식에 따라 채널 내부나 주변에 도입된 도펀트가 추가적인 잡음을 유발해 광검출 성능 향상을 제한할 수 있다. 본 연구에서는 이셀레늄화 텅스텐(WSe2) 소자의 접촉부 아래에만 육방정계 질화붕소(hBN)를 배치하고, 빛과 게이트 전압으로 전하를 포획해 접촉부를 선택적으로 도핑하는 광 프로그래밍 기술을 구현하였다. 이 방식은 채널에 도펀트를 직접 도입하지 않고, 채널과 공간적으로 분리된 전하의 전기장을 이용하는 원격 도핑으로 전하 주입을 개선하면서 접촉부에서 발생하는 잡음을 효과적으로 억제했다. 광 프로그래밍 결과, 접촉 저항이 감소했으며 정규화된 저주파 잡음은 약 100분의 1로 크게 줄고 광응답도는 도핑 전 대비 10배 정도 향상되었다. 본 연구는 광 프로그래밍 기반의 선택적 원격 도핑이 광신호 증대와 잡음 억제를 동시에 달성하는, 고성능 이차원 광트랜지스터를 구현하는 데 효과적인 접촉 제어 전략임을 보여준다.
Improving the sensitivity of two-dimensional semiconductor phototransistors requires increasing photocurrent while minimizing noise. However, conventional doping approaches often place charged dopants in or near atomically thin channels, introducing charge scattering, trap states, and noise that limit the signal-to-noise ratio. Here, we address this signal-noise trade-off in WSe2 phototransistors by using photo-induced charge trapping in patterned hBN to implement contact-selective remote doping. Under illumination with a negative gate voltage, trapped holes in hBN electrostatically n-dope WSe2 while remaining spatially separated from the transport channel. Patterned hBN confines the doping to selected regions, allowing the WSe2 near the metal electrodes to be remotely doped while leaving the channel undoped. This remote contact doping simultaneously suppressed the device noise by approximately 100–fold, reduced the effective density of electrically active traps by approximately 100–fold, and lowered the activation energy by 30–80 meV, indicating improved contact quality and more efficient carrier injection. As a result, the contact-doped phototransistors simultaneously exhibit enhanced responsivity of 99.7 A/W and a specific detectivity of 2.26×10^11 Jones. These results establish optically programmed remote contact doping as a phototransistor-compatible contact-engineering approach to overcome the signal–noise trade-off in 2D phototransistors.
Authors: Sunggyu Ryoo, Seongmin Ko, Juntae Jang, Donguk Kim, Jaehyoung Park, Youngmin Song, Yeeun Kim, Jaeyong Woo, Jongeun Yoo, SeungNam Cha, Chongwu Zhou, Kyungjune Cho*, and Takhee Lee* (*co-corresponding authors)
Published online: 2026.10.21