임성일 교수 공동 연구팀, 유리 위에서 동작하는 초고속 이차원 나노박막 트랜지스터 소자 개발

유리 위에서 동작하는 소자 중 가장 빠른 소자 개발 성공

절연층 기반 소자에 비하여 100배 이상 속도 증명

우리 대학교 물리학과 임성일, 최형준, 김재훈 교수와 국립군산대 물리학과 이기문 교수 공동연구진이 유리 위에서 동작하는 소자로서는 세계에서 가장 빠른 소자인 이황화 몰리브덴-니켈산화막 쇼트키 트랜지스터를 기계적 박리법과 자외선 노광공정을 적용하여 개발했다.

수 나노미터의 두께를 가진 이황화 몰리브덴은 그래핀과 같이 이차원 나노박막 반도체로 알려져 있으며 최근에는 속도는 빠르나 전하의 흐름이 제어되지 않는 그래핀의 결점을 극복할 수 있는 물질로도 알려져 있다. 따라서 이황화 몰리브덴 극박막 트랜지스터는 국내외에서 많은 연구자들의 관심을 집중시켜 왔다. 그러나 이황화 몰리브덴 트랜지스터의 전하속도인 이동도는 상온 및 대기 중에서 수백내지 수십 cm2/Vs에 불과했다. 이와 같은 수치는 이황화 몰리브덴 채널 위에 절연층을 게이트로 쓰는 통상적인 트랜지스터에서 얻어졌으며 대부분의 연구자는 실리콘을 소자의 기판으로 사용해 왔다.

물리학과 임성일 교수가 이끈 공동연구진은 절연층을 게이트로 사용하는 방법을 지양하고 전도성 투명산화물인 니켈산화막을 수 나노미터 두께의 이황화몰리브덴 채널위에 적층하여 이동도 1200 cm2/Vs를 갖는 쇼트키 트랜지스터를 성공적으로 제작했다. 이와 같은 나노박막 쇼트키 트랜지스터는 1 볼트 저전압으로 유리 위에서도 구동하며 기존의 절연층 적용 트랜지스터와는 달리 매번 제작할 때마다 놀라운 성능 재현성을 보여준다.

미국을 비롯한 선진국에서는 절연층 게이트 트랜지스터에 대한 연구에서 극저온 동작 시 30000 cm2/Vs라는 높은 이동도의 기록을 달성했지만 상온에서 동작시킬 경우 절연층과 반도체채널의 계면에 존재하는 결함들과 전하의 이동을 저해하는 전계의 영향으로 인하여 이동도 200-300 cm2/Vs 이상을 실현시키지 못하고 관련 연구가 벽에 부딪혀 있었다.

공동 연구진은 전도성 니켈산화막을 이황화 몰리브덴 채널 위에 적용할 때 반데르발스 계면이 형성되고 절연층 게이트형 소자가 갖는 결함과 전계의 문제를 한꺼번에 해결할 수 있음을 발견했다. 이 같은 쇼트키형 소자의 전하 이동속도는 실제 존재하는 이황화몰리브덴 반도체의 잠재력을 보여준 것이다. 이 같은 속도는 쇼트키 소자의 광 감지속도 측정에서도 절연층기반소자에 비하여 100배 이상 빠름이 증명됐다. 연구진은 또한 개발된 이차원 극박막 쇼트키 트랜지스터를 녹색 유기발광 다이오드의 점멸 스위칭에도 적용함으로서 픽셀발광에 활용할 수 있다는 점도 확인하여 여러 분야에의 실제적인 응용가능성을 보여줬다.

미래부 기초연구 중견(도약)과제로 추진된 이번 연구는 소자제작 및 성능측정을 위하여 물리학과 임성일 교수 및 제1저자인 이희성 박사가, 반데르발스 계면 확인을 위한 물리학적 계산을 위하여 동 학과의 최형준 교수 및 백승수 박사가, 전하농도 테라헤르츠 및 Hall 측정을 위하여 김재훈 교수와 최규진 박사 및 군산대의 이기문 교수가 공동 연구를 수행했다.

본 연구는 세계적 나노과학기술 학술지인 ‘ACS Nano’ 7월 20일자에 온라인 게재됐다.