2차원 전자소자 성능 극대화 기술 개발

[산업일보]
2차원 나노반도체(MoS2 및 WSe2)는 두께가 종이처럼 얇으면서 뛰어난 전기적, 광학적 특성을 지녀, 유연 소재 및 투명 소재에 적용 가능한 차세대 물질로서 각광받고 있는 가운데 국내 연구진이 자기조립 단분자막을 2차원 나노반도체에 가볍게 증착하는 간단한 p형 도핑기술을 개발해 2차원 전자소자(p형 트랜지스터)의 성능을 최고 수준(이동도는 초당 최대 250㎠로 세계 최고)으로 향상시켰다. 이 기술은 센서나 태양전지와 같은 다양한 2차원 전자소자나 광전소자를 제어하고 최적화하는데 적극 활용될 것으로 기대된다.

성균관대 박진홍 교수(교신저자)가 주도하고, 강동호 박사과정연구원(제1저자)과 성균나노과학기술원 이성주 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진연구자 및 중견연구자)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 나노 과학기술분야 권위지인 ACS Nano 온라인판(1월 28일자)에 게재됐다.

반도체에 불순물을 도핑하면 반도체 속의 전자와 정공의 농도를 조절할 수 있어 반도체의 성능을 높일 수 있는데, 이 때 불순물의 종류와 농도를 조절하는 것이 소자를 최적화하는 관건이다.

그러나 불순물의 농도를 미세하게 조절할 수 있는 기존의 공정(이온을 주입하는 도핑기술)은 물리적인 힘을 이용하기 때문에 반도체의 결정성을 깨뜨릴 수 있어 1나노미터(10억분의 1미터) 이하의 얇은 2차원 나노반도체에 사용하는데 한계가 있었다.

또한, 기존의 기술들은 ㎠(제곱 센티미터) 면적당 1조 개(10의 12승) 이상의 농도로 도핑돼 성능을 극대화하기 어려웠다. 도핑의 농도가 너무 높으면 반도체의 특성이 금속과 비슷해져 전자소자나 광전소자 등을 구현할 수 없게 된다.

연구팀은 종이처럼 매우 얇은 2차원 나노반도체의 결정성을 해치지 않고 농도를 조절할 수 있는 자기조립 단분자막으로 간단하게 기존 기술 대비 10배 낮은 농도의 p형 도핑기술을 개발했다.

연구팀은 양전하를 띠는 자기조립 단분자막(OTS)을 선택해 증착한 후 아래에 놓인 반도체의 전자를 끌어당겨 전자의 농도를 조절하는 원리를 이용해 ㎠ 면적당 천억 개(10의 11승) 이하로 정공 농도를 조절했다.

이것은 기존의 ㎠ 면적당 1조 개(10의 12승) 이상의 농도로 도핑했던 것에 비해 정밀도 조절이 크게 향상됐다. 또한 대기 중에 오랜 시간(60시간)이 지나도 성능 저하(전자소자를 작동하는 최소전압이 약 18~34%로, 기존 기술은 70%에 달함)가 적고, 가열하면 저하된 도핑 성능이 다시 회복되는 특징을 보였다.

박진홍 교수는 “간단하게 2차원 소자의 성능을 제어하고 최적화하는 도핑기술 개발로, 차세대 2차원 나노반도체 소자 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다.