임성일 교수팀, 220㎓ 고주파 쇼트키 다이오드 개발

5G/6G 등 차세대 통신에 실용적 활용 기대

국제 융합 연구 분야 최고 권위지 ‘Science Advances’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 물리학과 임성일 교수, 전기전자공학부 육종관 교수]

이과대학 물리학과 임성일 교수 연구팀이 차세대 반도체에 그래핀 전극을 적용해 밀리미터파 영역의 220㎓ 고주파 쇼트키 다이오드를 개발했다. 연구 결과는 융합 연구 분야 세계적 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 7월 19일 게재됐다.

현재까지 연구된 대부분의 2차원 층상형 나노 소재 기반 전자 소자는 원자층 두께의 채널을 이용하는 수평형 반도체 소자로, 기존 실리콘 트랜지스터 소자의 문제를 해결해 기존 소자들을 교체하려는 목적으로 연구됐다. 하지만 초고속 동작을 위한 기생 저항과 정전 용량을 동시에 최소화하지 못하는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 수평 구조가 아닌 수직 다이오드 구조로 실험을 설계했다. 백금(Pt)과 2차원 층상형 나노 소재인 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)의 상층 쇼트키 접합을 이용했고, 하부의 오믹 접합부에 단일층 그래핀을 삽입해 소자를 제작했다. 그 결과, 220㎓의 차단주파수를 가지는 6세대(6G) 초고주파 쇼트키 다이오드가 구현됐다.

또한, 연구 과정에서 해당 소자의 그래핀 층이 고주파 환경 하에서 전하 조절 능력을 상실하는 현상을 세계 최초로 발견했다. 이는 그래핀의 양자 커패시턴스(Quantum capacitance)로 기인한 RC 지연 현상으로 설명되며, 연구팀은 소자의 저항과 정전 용량 성분이 동시에 감소하는 결과를 확인했다.

수직 구조에서 상부의 백금(Pt), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 접합은 쇼트키 접합 특성을 보이지만, 하부의 단일층 그래핀, 금(Au) 접합은 이셀레늄화몰리브덴과 금 사이에 페르미 준위의 차이가 커도 오믹 접합 특성을 보인다. 이는 그래핀의 전하 조절 능력에 기인한다. 

그러나 ㎓ 이상의 고주파수 환경에서는 그래핀의 양자 커패시턴스에 의해 생기는 RC 지연으로 인해 신호의 주기 내에 충분한 양의 전자가 단일층 그래핀에 축적되지 않는 현상이 일어난다. 이로 인해 그래핀의 전하 조절 능력이 저하돼 하부의 단일층 그래핀, 금(Au), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 접합은 오믹 접합 기능을 상실하고 페르미 준위 고정 현상이 없는 이상적인 쇼트키 접합이 된다.

그 결과, 단일층 그래핀, 금과 접촉한 이셀레늄화몰리브덴에 저주파수 환경에서는 존재하지 않던 추가적인 공핍층(depletion layer)이 형성됐고, 소자의 직렬 저항(series resistance)과 접합 정전 용량이 동시에 극적으로 감소했다. 이로 인해 소자의 차단주파수는 기존의 다이오드에 비해 10배 이상으로 대폭 증가했다.

본 쇼트키 다이오드는 40㎓에서 약 50Ω의 작은 접촉 저항, 수십 펨토패럿(fF)의 작은 정전 용량만을 허용했고, 최대 220㎓의 초고속 차단주파수를 보여 줬다. 2차원 층상형 소재 기반 초고주파 다이오드 중에서는 세계 최고의 값이다.

[그림. (상단 왼쪽) 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)과 단일층 그래핀에 기반한 초고주파 수직형 쇼트키 다이오드의 모식도 (상단 오른쪽) 임피던스 특성과 차단주파수 (하단) 고주파수 환경에서 단일층 그래핀에 의한 금(Au)/그래핀/MoSe2 접합의 밴드다이어그램 변화에 대한 모식도]

연구팀은 “본 연구를 통해 초고주파 다이오드를 이용해 주파수 혼합기 회로를 제작할 수 있었다.”며, “해당 소자는 5~6세대 통신, 밀리미터파 통신 등 차세대 통신에 실용적으로 사용될 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 선도연구센터지원사업(SRC)과 박사과정생 연구장려금사업의 지원을 받아 홍성재 박사과정생(제1저자), 전기전자공학부 육종관 교수(제2교신저자) 및 물리학과 김관표 교수가 협력해 연구한 결과이다.

논문정보

● 논문제목: Ultrafast van der Waals diode using graphene quantum capacitance and Fermi-level depinning

● 논문주소: www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh9770

● 저자정보: 홍성재 제1저자, 홍창의 공동 제1저자, 이솔, 장명진, 장초롬, 이양진, Livia Janice Widiapradja(이상 박사과정생), 박샘 삼성전자 연구원, 김관표 교수, 손영우 교수, 육종관 교수, 임성일 교수 포함 총 12명

용어설명

● 쇼트키 다이오드(Schottky barrier diode): 반도체와 금속과의 접합에서 발생하는 쇼트키 장벽을 이용한 다이오드. 기존 PN 다이오드와 달리 문턱 전압에 의한 순방향 전압 강하가 적어 전력 손실이 적기 때문에 저전압 대전류의 전원 정류용 소자로 이용된다. 또한, 소수 캐리어가 아닌 다수 캐리어에 의해 전류가 흐르기 때문에 축적 효과가 없어 역회복 시간이 매우 짧은 특징을 가지고 있어 고주파 스위칭 전원용 정류 소자로도 사용된다.

● 2차원 층상형 나노 소재: 원자들이 단일 원자층 두께(약 1㎚ = 10억 분의 1m)를 가지고 2차원 평면에서 결정구조를 이루고 있는 저차원 나노 소재로, 원자층 사이에 약한 반데르발스 힘으로 결합돼 층상형 구조를 이룬다.

● 차단주파수(Cutoff frequency): 신호가 통과하는 주파수 대역과 통과하지 못하는 주파수 대역의 경계점. 이상적인 필터의 경우 차단주파수를 정하기 쉽지만 실제 필터에서는 그 기준이 모호하기 때문에, 최대 이득으로부터 -3㏈로 떨어지는 지점을 기준으로 잡는다. 전력 이득 기준으로 출력 전력이 입력 전력의 0.5배가 되는 지점을 의미하고, 전압 이득 기준으로 출력 전압이 입력 전압의 0.707배가 되는 지점을 의미한다.

● 양자 커패시턴스(Quantum capacitance): 고전적인 유전체에 의한 정전 용량과는 달리 물질의 상태 밀도에 의해 생기는 정전 용량. 고체에 추가적인 전자가 주입되면 해당 전자가 고체의 전자 밴드를 채우면서 물질의 페르미 준위가 변화하게 되고 이 변화율이 양자 커패시턴스에 해당하게 된다. 일반적으로 양자 커패시턴스는 유전체에 의한 정전 용량에 비해 매우 값이 크므로 대부분 상황에서 무시될 수 있지만, 일부 나노 구조에서는 그 영향이 크게 나타난다. 또한, 그래핀 등 이차원 물질계와 같이 상태 밀도가 낮은 물질계에서는 양자 커패시턴스의 영향이 커지게 된다.

● RC 지연(RC delay): 저항과 축전기가 포함된 회로에서 저항에 의한 전류 제한 때문에 축전기의 충/방전이 빠르게 일어나지 못해 회로의 응답이 입력신호에 대해 지연되는 현상. RC 지연의 정도는 회로에 갑자기 전압이 가해졌을 때 회로의 응답이 최댓값의 63.2%에 도달하는 시간인 시정수로 표현하며, 이는 저항 R과 축전기의 정전 용량 C를 곱한 값으로 나타난다.