임성일 교수팀, 반데르발스 힘만으로 이차원 나노소자 구현

기존 공정 한계점 완화해 다이오드 소자의 성능향상 가능성 높여

물리학과 임성일 교수 연구진이 나노반도체 조각을 유리기판 위에 적층해 기존 반도체 공정에서 적용하는 노광 공정을 전혀 사용하지 않고 트랜지스터와 다이오드 소자를 제작하는 것에 성공했다. 연구에 사용된 모든 반도체, 전도체, 절연체는 이차원 극박막 나노조각이며, 연구진은 기계적 박리법과 반데르발스 힘(van der Waals force)만으로 나노조각들이 접합되면 전기 및 광소자를 형성할 수 있다는 사실을 증명했다.

반데르발스 힘이란 정전기적 상호작용에서 오는 작은 결합력을 뜻한다. 몇 개의 원자층 두께를 가진 MoS2(이황화 몰리브덴)과 MoTe2(몰리브덴 텔루르화물)은 그래핀과 같이 이차원 나노박막 반도체로 알려져 있으며 원자층 사이의 결합은 반데르발스 힘, 즉 작은 정전기적 상호결합력으로 되어있다. 이들 몰리브덴 화합물은 전하의 흐름이 제어되지 않는 그래핀과는 달리 실리콘과 같은 분명한 반도체 특성을 보이고 있어 실리콘을 대체할 수 있는 물질로 국내외에서 많은 연구자들의 관심을 집중시켜왔다. 그러나 이들 나노막 화합물들은 금속전극 사용 시의 접촉저항과 반도체 공정에서 사용되는 기존 게이트 절연막과의 계면불안정 문제가 있다.

연구진은 기존 반도체 노광 공정과 절연막 공정을 지양하고 전도막, 절연막, 반도체 채널막을 그래핀, h-BN(고결정성 질환붕소), MoTe2의 이차원 나노조각으로 해 순수하게 반데르발스 힘으로만 트랜지스터 소자를 제작하는 것에 성공했다. 이와 같은 트랜지스터 소자는 접촉저항과 계면불안정 문제를 물리학적으로 완화시켜 청색 유기발광 픽셀을 점멸할 수 있을 정도로 충분한 전류를 공급했다.

(그림 1) 또한 두 이차원 반도체 물질의 접합 시에 반데르발스 힘을 적용하여 얻어진 MoTe2/MoS2 P-N 접합다이오드는 무려 1kHz 속도의 동적 정류 주파수를 보였고 외부에서 전압을 인가하지 않고도 적외선과 가시광선을 빠르게 감지했다. 특히 청색 및 자외선과 같은 높은 고에너지의 빛은 기존의 실리콘 P-N 다이오드보다 더 높은 효율로 감지할 수 있는 것으로 나타났다.(그림 2)

트랜지스터와 P-N 접합 다이오드 소자는 전자회로의 가장 기본적이며 중요한 능동 소자이기 때문에 이와 같은 새로운 연구결과는 이차원 물질과 그들의 반데르발스 접합이 실제 소자응용 가능성 및 성능 향상에 있어서 매우 큰 잠재력이 있음을 증명한 것이다. 연구진이 만든 이차원 트랜지스터는 이차원 반데르발스 접합 P-N 다이오드와 더불어 세계적으로 주목할 만한 선도적 연구 성과라 할 수 있다.

미래부 기초연구 중견(도약)과제로 추진된 이번 연구에서는 트랜지스터 소자 제작 및 성능측정을 위하여 임성일 교수 연구진의 최경희 박사가, P-N 다이오드 소자제작과 전기/광전 성능측정을 위해서는 같은 연구진의 아티에(Atiye Pezeshki) 연구원이 연구를 수행했다.

본 연구진의 P-N 접합 다이오드 특성 연구결과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 2월 29일자 온라인판에, 트랜지스터 제작 연구결과는 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 3월 16일자에 잇달아 게재됐다.