밴드갭에너지 (Bandgap Energy)
쉽게 풀면
반도체 속 전자는 낮은 층(가전자대)과 높은 층(전도대) 사이에 문턱이 있는 계단을 오르는 것과 비슷합니다. 이 문턱을 넘으려면 일정 크기 이상의 에너지가 필요한데, 그 문턱의 높이가 바로 밴드갭에너지입니다. 빛(광자)이나 열이 이 문턱을 넘을 만큼 에너지를 주면 전자가 뛰어오르면서 전류가 흐르거나, 반대로 전자가 다시 내려오면서 빛을 냅니다. 이 문턱의 크기에 따라 반도체가 어떤 색의 빛을 흡수하거나 방출하는지가 결정됩니다.
왜 중요한가
밴드갭에너지는 LED, 레이저 다이오드, 태양전지, 광검출기 같은 광전소자의 동작 파장과 효율을 결정하는 가장 핵심적인 물성입니다. 원하는 색의 빛을 내거나 특정 파장대의 빛만 검출하려면 밴드갭에너지가 맞는 반도체 재료를 선택하거나 조성을 조절해야 합니다. 이 때문에 광전자공학 논문에서 재료 설계의 출발점으로 항상 언급됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
인듐 함량을 조절해 InGaN의 밴드갭에너지를 바꾸면 발광 파장을 원하는 대로 조정할 수 있다는 뜻입니다.
흡수 스펙트럼에서 나타나는 경계 파장을 통해 해당 박막의 밴드갭에너지를 실험적으로 확인했다는 의미입니다.
조금 더 깊게 보면
밴드갭에너지는 흡수 스펙트럼의 흡수단(absorption edge)이나 광발광(photoluminescence) 측정을 통해 실험적으로 구할 수 있습니다. 전도대의 최소점과 가전자대의 최대점이 같은 운동량에 위치하는지 여부에 따라 직접 밴드갭과 간접 밴드갭으로 나뉘며, 직접 밴드갭 재료는 일반적으로 발광 효율이 더 높다고 알려져 있습니다. 화합물 반도체의 경우 조성비를 바꾸어 밴드갭을 연속적으로 조절하는 것이 가능합니다.
주의할 점
밴드갭에너지는 온도에 따라 변하므로 상온과 저온 측정값을 혼동하지 않아야 합니다. 또한 밴드갭이 좁다고 해서 항상 발광 효율이 높은 것은 아니며, 직접·간접 밴드갭 여부 등 다른 요인도 함께 고려해야 합니다.