신소재 적층구조로 세계에서 가장 얇은 반도체 소자 실현 가능성 입증

(상측) 본 연구에서 개발된 표준소자구조의 개념도 (하측) 표준소자의 상세구조를 보여주는 모식도.  
1) 표준소자구조의 개념도: 이황화몰리브덴(MoS2), 그래핀(graphene), 질화붕소(hBN)를 블록을 쌓듯이 적층하여 제조한 표준소자의 개념도로 각 원자층의 결정구조를 보여준다.
2) 표준소자의 상세구조: 이황화몰리브덴을 채널로 그래핀을 전극으로 질화붕소를 유전체로 사용하는 표준소자의 상세구조 분해도를 보여준다.

아주경제 한준호 기자 = 연세대학교와 미국 콜럼비아 대학교 연구진이 꿈의 2차원 신소재 적층을 통해 세계에서 가장 얇은(원자층 두께) 반도체에서 최고 속도의 전하 이동과 양자수송현상을 최초로 관측했다.

이번 성과로 고성능·저전력·초스피드 양자소자와 초박형(Ultra-thin) 반도체의 실현 가능성을 입증해 향후 반도체와 정보통신기술(ICT) 산업경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.

양자수송현상 (quantum transport)이란 전자, 광자 등 파동특성을 보이는 양자가 물질 내에서 이동할 때 자기장과 같은 외부인자와 상호작용해 양자진동이나 양자-홀 효과 등을 보이는 양자역학적 물리 현상을 말한다. 

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이관형 연세대 교수(제1저자/교신저자)가 주도하고, 미국 콜럼비아 대학교 제임스 혼 교수 연구팀과 고려대학교 이철호 교수의 공동 연구로 수행한 이번 연구는 미래부의 기초연구지원사업과 연세미래선도연구사업의 지원으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 나노과학 분야의 세계적 국제학술지인 “네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)”에 27일 온라인 판으로 게재됐다. 

연구진은 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 이황화몰리브덴과 그래핀, 유전체인 질화붕소(hBN)를 층층이 쌓는 방식으로 수개의 원자 층 두께로 얇고 매끄러운 계면을 가지는 신개념 소자구조를 개발해 최고 전하 이동도를 측정하고 2차원 반도체의 양자수송현상을 관측하는 데 세계 최초로 성공했다.

이황화몰리브덴 은 그래핀과 유사하게 층상구조를 가지고 있지만 그래핀과 달리 중간의 몰리브덴과 양쪽의 황 원층에 의해 샌드위치 구조로 밴드갭의 반도체 특성을 보인다. 

기존 연구에서 이황화몰리브덴 소자는 높은 전극 저항과 무질서한 이종계면 형성의 문제로, 이론치보다 훨씬 낮은 전하이동도를 보였다. 이렇듯 기존 소자의 구조적 한계로 이황화몰리브덴 본연의 성능을 발휘하는 데에 큰 한계가 있었다.

이에 연구진은 신개념 소자 적층 구조를 개발해 이종 물질 사이에서 아주 깨끗한 계면을 만듦으로써 이론적으로만 예상했던 이황화몰리브덴의 최고 전하 이동도(34,000㎠/Vs)를 처음으로 관측했다.

아울러 극저온 상태의 자기장 내에서 이동하는 전하와 자기장의 상호작용 현상을 측정해 이황화몰리브덴에서 일어나는 양자진동과 양자-홀 현상(양자수송현상)을 세계 최초로 관측했다.

기존에 고품질 반도체 혹은 그래핀에서만 관측되었던 현상을 2차원 반도체에서 최초로 확인함으로써, 양자수송을 활용한 신개념 2차원 반도체 소자 구현의 가능성을 열었다.

이번 연구 성과는 기존에 차세대 반도체 소자로 개발된 탄소와 질소 기반 벤젠고리 6각형 결정구조체(C2N-h2D 크리스털) 보다 상온에서는 10배, 저온에서는 100배 이상의 전류량(점멸비)과 전하 이동도를 보인다.

이관형 교수는 “차세대 반도체로 주목받고 있었으나 그 활용 가능성이 입증되지 못했던 이황화몰리브덴의 빠른 전하 이동과 양자수송 현상을 입증함으로써, 향후 세계에서 가장 얇은 반도체를 활용한 차세대 반도체 소자 개발 및 정보통신기술(ICT) 산업 발전의 초석이 될 것으로 기대한다.”고 의의를 밝혔다.