작성일 : 18-09-14 15:42
염한웅 IBS 원자제어저차원전자계연구단장 공동연구팀 , 빛 쪼여 박막 반도체 전도도 10만배 끌어 올렸다
 글쓴이 : happy
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빛 쪼여 박막 반도체 전도도 10만배 끌어 올렸다

2018년 09월 14일 00:00

이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 기반 원자층 2차원 반도체 소자의 금 전극 위에 가시광선 영역(초록색)의 레이저를 조사하는 장면을 묘사한 그림. -사진제공 IBS

이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 기반 원자층 2차원 반도체 소자의 금 전극 위에 가시광선 영역(초록색)의 레이저를 조사하는 장면을 묘사한 그림. -사진제공 IBS

차세대 반도체 후보로 꼽히는 ‘2차원 반도체’는 원자 두께의 얇은 반도체로, 둘둘 말리는 디스플레이나 전자기기, 초소형 컴퓨터 등을 실현시키기 위한 필수 소자로 꼽힌다. 하지만 이 반도체를 회로로 만들려면 전기가 통하는 성질인 전도도를 크게 높여야 한다. 기존에는 전도도를 높이기 위해 액체나 기체 상태의 이온을 주입하는 방법이 널리 쓰였는데, 2차원 반도체는 너무 얇아 이 방법을 쓸 수 없었다. 그런데 국내 연구팀이 쉽고 싼 방법으로 2차원 반도체의 전도도를 획기적으로 높일 방법을 발견했다.


서승영 포스텍 신소재공학과 연구원과 염한웅 기초과학연구원(IBS) 원자제어저차원전자계연구단장(국가과학기술자문회의 부의장), 조문호 부연구단장팀은 2차원 반도체에 레이저를 쪼이면 전도도를 최대 10만 배 높일 수 있다는 사실을 발견해 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스’ 13일자에 발표했다.


반도체는 전자가 많은 n형 반도체와, 반대로 전자의 빈자리(정공)가 많은 p형 반도체로 나뉜다. 서 연구원팀은 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2)로 만든 n형 반도체에 초록색에 해당하는 532nm 파장의 레이저 빛을 수 초 쪼였다. 그 결과 반도체 표면에 부분적으로 원자가 빠지는 결함이 생기고, 이 결함으로 공기 중의 산소로부터 정공이 들어가 p형 반도체로 변하는 현상을 확인했다.

 

이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 표면을 원자 수준의 해상도로 갖는 주사터널링현미경(STM)을 통해 관찰한 모습. -사진 제공 IBS

이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 표면을 원자 수준의 해상도로 갖는 주사터널링현미경(STM)을 통해 관찰한 모습. -사진 제공 IBS

연구팀은 빛의 세기나 쪼이는 시간을 조절해 정공의 농도를 조절하는 데에도 성공했다. 전기 전도도는 최대 10만 배까지 높아졌다. 연구팀은 이렇게 만든 공정을 다양한 물질로 된 2차원 반도체에 적용해 트랜지스터와 같은 실제 회로도 만들었다. 


조 부연구단장 “반도체 물질과 빛에 관한 기초과학 연구가 차세대 반도체 회로 응용 기술로 이어졌다”며 “장기적인 관점에서 획기적인 반도체 원천기술이 될 수 있을 것”이라고 말했다. 
 


  • 윤신영 기자 ashilla@donga.com


2차원 반도체 '레이저 도핑' 모식도. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 기반 원자층 2차원 반도체 소자의 금 전극 위에 가시광선 영역(초록색)의 레이저를 조사하는 장면을 묘사한 그림. 레이저가 조사된 부분에는 원자결함이 형성되고 이 공간에 공기 중 산소의 정공이 채워진다. 레이저 도핑으로 인해 외부 불순물 주입 없이도 반도체는 정공이 많은 형태인 P-형으로 도핑된다.<사진=IBS 제공 >
2차원 반도체 '레이저 도핑' 모식도. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 기반 원자층 2차원 반도체 소자의 금 전극 위에 가시광선 영역(초록색)의 레이저를 조사하는 장면을 묘사한 그림. 레이저가 조사된 부분에는 원자결함이 형성되고 이 공간에 공기 중 산소의 정공이 채워진다. 레이저 도핑으로 인해 외부 불순물 주입 없이도 반도체는 정공이 많은 형태인 P-형으로 도핑된다.<사진=IBS 제공>

빛으로 2차원 반도체 전도도를 10만배 높이는 기술이 개발됐다.

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)염한웅 원자제어 저차원 전자계 연구단 단장과 조문호 부연구단장 연구팀이 2차원 반도체에 빛을 쪼이면 스스로 도핑이 되는 '레이저 도핑' 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

수 초간 레이저를 조사하는 것만으로 도핑할 수 있어 쉽고 경제적인 기술이다. 연구팀은 2차원 반도체 단일 집적 회로를 구현하는 데도 성공했다.

차세대 반도체 후보로 주목받는 원자층 2차원 반도체는 둘둘 말리는 전자기기, 사물인터넷(IoT) 전자 부품, 극초소형 컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 소재다. 그동안 기술적 난제는 고성능 회로를 만들기 위한 도핑 기술이 아직 없다는 점이었다. 

도핑은 일종의 불순물을 주입해 반도체의 전도율을 증가시키는 공정으로 전자기기 제작에 필수적이다. 상용화된 전자기기는 액체나 기체 상태의 이온을 주입해 도핑한다. 하지만 원자 두께로 얇은 2차원 반도체에 불순물을 주입할 경우 깨질 가능성이 있다. 또 농도를 섬세하게 조절하기 어렵다는 한계가 있었다.

서승영 연구원(POSTECH 신소재공학과)이 제1저자로 주도한 이번 연구는 인위적 불순물을 주입하지 않고도 가시광선 조사를 통해 원자층 2차원 반도체 트랜지스터 소자의 p-형 도핑에 성공했다.

연구팀은 주사터널링현미경(STM)으로 반도체를 관찰하며 전자가 많은 형태의 n-형 반도체에 초록색(파장 532nm) 레이저 빛을 수 초간 조사했다. 레이저가 조사된 반도체 표면과 내부에는 국소적인 원자결함이 생기고, 이후 결함이 생긴 공간으로 공기 중의 산소로부터 정공이 주입되며 최종적으로 정공이 많은 p-형으로 도핑됐다.

연구팀은 빛의 세기와 조사 시간을 조절해 도핑 농도를 제어하는 데도 성공했다. 정공의 농도에 따라 반도체 소자의 전기전도도는 최대 10만 배까지 높아졌다.

이번에 개발된 레이저 도핑 공정은 대기 중에서 수 초 내에 빠르고, 대면적 도핑이 가능하기 때문에 기존 도핑 기술에 비해 쉽고 경제적이다. 집적 회로 상용화 기술에 곧바로 응용될 수 있다는 장점이 있다.

이어 연구팀은 개발한 도핑 공정을 이용해 다양한 2차원 반도체 회로를 제작하는 데도 성공했다. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 화합물에 레이저 도핑을 접목해 2차원 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor), 2차원 광전압 변환기 등을 구현했다.

원자층 2차원 반도체를 재료로 도핑하고 실제 회로 구현으로까지 이어진 첫 사례다. 제작된 반도체 회로는 매우 우수한 전류 증폭 성능을 보였다.

이번 연구를 이끈 조문호 부연구단장"반도체 물질과 빛의 상호 작용에 대한 기초 과학 연구가 차세대 반도체 회로 응용 기술로 바로 환원됐다는 데 의의가 있다"라며 "이러한 기초과학과 응용기술 순환 일체형 연구는 미래 기술 개발에 있어 새로운 가치 창출 방식의 핵심이 될 수 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 전자 소자 분야 학술지인 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 온라인판에 14일 자로 게재됐다.