연세대·군산대 연구팀, 이차원 나노박막 트랜지스터 소자 개발

[미디어펜=류용환 기자] 국내 대학 연구진이 유리 위에서 동작하는 이차원 나노박막 트랜지스터 소자 개발했다.

▲ 이차원 나노박막 쇼트키 트랜지스터 동작 원리 및 광 스위칭 특성. /자료=연세대학교

연세대학교는 물리학과 임성일·최형준·김재훈 교수, 군산대 이기문 교수가 공동 연구를 통해 유리 위에서 동작하는 소자인 이황화 몰리브덴-니켈산화막 쇼트키 트랜지스터를 기계적 박리법과 자외선 노광공정을 적용해 개발에 성공했다고 30일 밝혔다.

수 나노미터의 두께를 가진 이황화 몰리브덴은 그래핀과 같이 이차원 나노박막 반도체로 최근에는 속도는 빠르나 전하의 흐름이 제어되지 않는 그래핀의 결점을 극복할 수 있는 물질로도 알려지면서 관심이 집중됐다.

하지만 이황화 몰리브덴 트랜지스터의 전하속도인 이동도는 상온 및 대기 중에서 수백내지 수십 cm2/Vs 에 불과하다는 단점을 가지고 있었다.

연세대·군산대 연구팀은 절연층을 게이트로 사용하는 방법을 지양하고 전도성 투명산화물인 니켈산화막을 수 나노미터 두께의 이황화몰리브덴 채널위에 적층해 이동도 1200 cm2/Vs를 갖는 쇼트키 트랜지스터를 제작했다.

연구팀이 개발한 나노박막 쇼트키 트랜지스터는 1 볼트 저전압으로 유리 위에서도 구동하며 기존의 절연층 적용 트랜지스터와 달리 매번 제작할 때마다 놀라운 성능 재현성을 보여준다고 연세대 측은 전했다.

미국 등 해외 연구진은 절연층 게이트 트랜지스터에 대한 연구를 진행하면서 극저온 동작 시 30000 cm2/Vs 라는 높은 이동도의 기록을 달성했지만 상온에서 동작시킬 경우 절연층과 반도체채널의 계면에 존재하는 결함들과 전하의 이동을 저해하는 전계의 영향으로 이동도 200~300 cm2/Vs 이상을 실현시키지 못했다.

공동 연구팀은 전도성 니켈산화막을 이황화 몰리브덴 채널 위에 적용할 때 반데르발스 계면이 형성되고 절연층 게이트형 소자가 갖는 결함과 전계의 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다는 사실을 발견했다.

쇼트키형 소자의 전하이동속도는 실제 존재하는 이황화몰리브덴 반도체의 잠재력을 보여준 것으로 쇼트키 소자의 광 감지속도 측정에서도 절연층기반소자에 비해 100배 이상 빠름이 증명, 이번에 개발된 이차원 극박막 쇼트키 트랜지스터를 녹색 유기발광 다이오드의 점멸 스위칭에도 적용해 픽셀발광에 활용할 수 있다는 점도 확인하는 등 여러 분야에의 실제적인 응용가능성을 보여줬다고 연세대는 설명했다.

미래창조과학부 기초연구 중견(도약)과제로 수행된 이번 연구 결과는 나노과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’ 7월20일자 온라인판에 게재됐다.