▲ 새로운 전하수송메커니즘으로 동작하는 적층구조 기반 2차원 전자소자.

국내 연구진이 2차원 반도체 내 전하 이동 원리를 발견해 영하 90도의 매우 추운 지역에서도 꺼지지 않고 작동할 수 있는 반도체 소자를 최초로 개발하였다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 지난 31일 박진홍 성균관대 교수 및 김용훈 한국과학기술원 교수 공동연구팀이 2차원 반도체 안에 있는 빈 공간을 지나 전하가 이동하는 현상을 최초로 관측했으며, 추운 지역에서도 작동 할 수 있는 새로운 반도체 소자를 개발했다고 밝혔다.

반도체 성능 분석, 제품 개선등을 위해 전하의 이동 분석이 필수적이나 현재까지 적층구조 기반 2차원 반도체 소자의 전하이동 현상을 심도 있게 분석 보고한 연구는 없었으며, 소자의 성능 개선에도 한계가 있었다.

이에 공동연구팀은 반도체중 그래핀과 밴드갭이 존대하는 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 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.

반도체의 전류 양을 효과적으로 제어하기 위한 ‘전류점멸비’도 실리콘을 재료로 하는 유사 반도체 소자와 비교하면 천배가 높은 수치를 나타냈다.

박진홍 교수는 “앞으로 다양한 전자소자 및 광전소자 응용연구의 기반이 되어 핸드폰, 텔레비전 등 전자제품의 스위칭 소자, 회로 연구에 적용함으로써 좀 더 편리한 삶의 환경을 제공해 줄 수 있을 것이다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이번 연구결과는 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 글로벌프론티어사업의 지원을 받았으며, 연구성과는 나노소재/소자 분야의 권위 있는 국제 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 5월 10일자에 게재되었다.