국내 연구진이 영하 90도의 매우 추운 지역에서도 꺼지지 않고 작동할 수 있는 반도체 소자를 최초로 개발했다.

한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구사업, 글로벌프론티어사업의 지원을 받은 박진홍 교수(성균관대) 및 김용훈 교수(한국과학기술원) 공동연구팀이 2차원 반도체안에 있는 빈 공간을 지나 전하가 이동하는 현상을 최초로 관측했으며 추운 지역에서도 작동할 수 있는 새로운 반도체 소자를 개발했다고 밝혔다.

전하의 이동을 분석하는 것은 반도체의 성능 분석, 제품 개선 등을 위해서는 필수다. 하지만 현재까지 적층구조 기반 2차원 반도체 소자의 전하이동 현상을 심도 있게 분석 보고한 연구는 없었으며, 소자의 성능 개선에도 한계가 있었다

박진홍․김용훈 교수 공동연구팀은 반도체 중에 그래핀과 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 수직으로 쌓은 전자소자를 새롭게 제작하고 소재/소자 수준의 심도 있는 이론연구를 통해 2차원 반도체 안에서 전자소자가 어떻게 이동하는지 새로운 동작원리를 밝혀냈다.

연구 결과 연구팀이 제작한 반도체 소자 내에서는 기존 연구와 다르게 빈 공간을 경유하는 터널링 메커니즘이 나타났다. 일반적으로 2차원 전자소자는 온도가 내려갈수록 전류는 감소한다. 하지만 연구팀이 제작한 반도체 소자는 주위 온도가 내려가는 동일한 환경인 영하 90도에서도 동작전류는 증가하고 누설전류는 감소하는 새로운 특성이 나타났다. 연구팀은 반도체 소자 제작에 사용된 이셀레늄화텅스텐의 빈 공간을 경유하는 전하의 이동이 이 현상의 원인임을 밝혀냈다.

우수한 반도체 소자 구현을 위해서 필요한 전류점멸비(반도체 소자에 흐르는 전류량의 비)도 높게 나타났다. 일반적인 적층구조 기반 2차원 전자소자의 전류점멸비는 1만배 정도로 켜진 상태에서 흐르는 전류가 꺼진 상태보다 높게 나타난다. 반면 연구팀이 제작한 WSe2 기반 전자소자의 경우 켜진 상태에서 흐르는 전류의 양이 꺼진 상태에서 흐르는 전류의 양보다 1000만배 높은 전류점멸비가 저온(영하90도)에서 관찰됐다. 이는 실리콘을 재료로 하는 유사 반도체 소자와 비교하면 천배가 높은 수치이다. 때문에 소자에 흐르는 전류의 양을 효과적으로 제어할 수 있음을 실험적으로 확인했다.

박진홍 교수는 “이 연구성과는 기온이 내려가도 정상적으로 작동할 수 있는 새로운 전하의 이동 원리를 발견한 것이다. 앞으로 다양한 전자소자 및 광전소자 응용연구의 기반이 되어 휴대폰과 TV 등 전자제품의 스위칭 소자, 회로 연구에 적용함으로써 좀 더 편리한 삶의 환경을 제공해 줄 수 있을 것”이라고 설명했다.

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com