전체기사 최신뉴스 GAM 라씨로
KYD 디데이
산업 ICT

속보

더보기

이차원 반도체, 전류증폭 원인 찾았다..이차원 초박막 반도체소자 응용

기사입력 : 2018년07월30일 14:10

최종수정 : 2018년07월30일 15:03

고전계((高電界)하 전류 증폭하는 ‘애벌런시’ 현상 최초 규명
KIST·서울대 연구.."차세대 웨어러블 응용소자 구현에 크게 기여"

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 최근 전자 소자의 크기가 수 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 이하로 작아졌다. 이렇게 되자, 반도체 층이 강한 전기장 환경에 노출될 때는 반도체 내부의 높은 전류에 의한 열로 인해 소자 동작에 실패하는 사례가 자주 발생했다. 하지만 원인이 명확하게 밝혀지지 않은 상태였다.

이번에 국내 연구진이 ‘꿈의 소재’ 그래핀(Graphene)과 같은 이차원 물질을 활용한 이차원 반도체의 점점 작아진 소자 크기로 인해 발생할 수 있는 이런 물리적 현상, 전기적 특성 변화에 대한 이해도를 높인 연구결과를 내놨다.

30일 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)에 따르면 KIST 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대 물리천문학부 이탁희 교수팀과의 공동연구에서, 강한 전기장 하에서 이차원 신소재인 이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터의 임계전압 후 전류 증폭이라는 독특한 물리적 현상의 원인이 ‘전자사태 항복(애벌런시·avalanche breakdown)’ 현상임을 밝혔다.

이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터에서의 애벌런시(아발란체) 현상 연구 : (a) 채널 길이에 따른 아발란체 현상. (b) 아발란채 현상 설명을 위한 밴드다이어그램. (c) MoS2 두께에 따른 임계전기장(ECR). (d) 충격이온화율 (Impact Ionization Rate).

‘전자사태 항복’이란 반도체 속의 강한 전계에 의해 새로운 캐리어를 발생하는 과정이 반복, 이때 생기는 전류의 증폭에 의해 현저하게 전기저항이 작아지는 상태다.

전계(電界)효과트랜지스터((electric) field-effect transistor·FET)란 표면적에 비해 아주 얇은 박막(薄膜·thin film) 형태의 반도체에 흐르는 전류에 대해 이와 수직인 전계(電界·electric field)를 가해서 전자 흐름을 다른 전극으로 제어하는 전압 제어형 반도체를 말한다.

특히 연구진은 전류 증폭의 임계전압은 이차원 반도체의 두께에 따라 변화한다는 것을 규명했다. 두께가 두꺼울 때 임계전압이 낮아지고 두께가 얇을 때 임계전압이 높아진다는 것이다.

이차원 신소재 중 이황화 몰리브덴은 박막화가 용이해 초박막 웨어러블 전자소자에 응용할 수 있다는 장점이 있다. 또 잘 휘어지고, 투명한 속성, 높은 전하 이동속도를 갖는 차세대 웨어러블 반도체 소재로 크게 주목 받고 있다.

정승준 박사는 “향후 초박막 이차원 반도체와 전자재료의 기반이 될 차세대 웨어러블 응용소자 구현에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.

과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 창의연구단 과제로 수행된 이번 연구결과는 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재됐다.

◆ 연구자가 직접 전하는 ‘연구이야기’ 

논문 교신저자인 한국과학기술연구원 정승준(왼쪽) 선임연구원과 서울대 물리천문학부 이탁희(가운데) 교수, 사진 왼쪽은 제1저인 서울대 물리천문학부 박진수 박사과정 연구원 [사진제공=KIST]

- 이번 성과 뭐가 다른가.

▲ 게재 논문명은 ‘Two-Dimensional Thickness-Dependent Avalanche Breakdown Phenomena in MoS2 Field-Effect Transistors under High Electric Fields’이다. 이 논문에서 우리는 이차원 물질 기반의 전계효과트랜지스터에서 물질 두께에 따라 변화하는 아발란체 현상을 최초로 관측하고 분석했다. 또 이차원 물질에서 전자수송방식이 현재까지 정확하게 설명되지 못했는데, 이차원 물질에서의 임계전기장-밴드갭(critical electric field-band gap) 관계가 ‘band-like 전자수송방식’으로 설명되는 삼차원물질에서의 관계와 잘 들어맞는 것을 관측했다.

 

- 어디에 사용할 수 있나.

▲ 이차원 물질들을 이용해 ‘아발란체 포토다이오드’를 제작한다면 웨어러블한 투명 고효율 광검출기로 사용될 수 있다. 또한 아발란체 특성을 이용한 전자 소자의 전기적 특성을 조절하는 데 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

 

- 연구를 시작한 계기는.

▲ 그래핀에 강한 전기장을 가하게 되면 열에 의해 그래핀이 데미지(damage, 손상)를 받으면서 그래핀 나노갭을 만들 수 있는 ‘Electo-burning 방법’이 기존에 있었다. 이 아이디어로부터 이차원 반도체 나노갭을 만들어 보기 위해 이번 연구를 시작했다. 이후 열에 의해 이차원 반도체가 물리적 데미지를 받기 전, 전류가 급증하는 현상을 발견하고, 이에 대한 원인을 분석하기 시작했다.

 

- 기대효과와 실용화를 위한 과제는.

▲ 이번 연구를 통해 이차원 물질의 두께에 따른 아발란체 현상을 이해할 수 있었다. 물질의 두께가 얇으면 아발란체 현상을 관찰하기 위해 강한 전기장이 요구되지만 충격 이온화율이 높은 장점이 있다. 반면에 물질의 두께가 두꺼우면 아발란체 현상을 관찰하기 위해 비교적 낮은 전기장이 필요하지만 충격이온화율이 낮은 단점이 있다. 이처럼 반도체층의 두께 조절을 통해 n형 이차원 반도체물질과 p형 이차원 반도체로 구성된 아발란체 포토다이오드의 물성을 조절할 수 있다. 또 전류가 증가함에 따라 발생하는 열에 대한 분석을 통해 이차원 반도체의 소자 열화 현상을 연구할 수 있을 것으로 기대한다.

 

 

kimys@newspim.com

CES 2025 참관단 모집

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
위례과천선 광역철도 민자적격성 통과 [서울=뉴스핌] 최현민 기자 = 경기 과천시와 서울 강남구, 송파구 일원을 연결하는 위례과천선 사업이 본궤도에 오른다.   국토교통부는 위례과천 광역철도사업이 한국개발연구원(KDI)의 민자적격성 조사를 통과했다고 7일 밝혔다. 위례과천선은 서쪽으로는 정부과천청사, 동쪽으로는 송파구 법조타운과 위례신도시를 연결하고 북쪽으로는 강남구 압구정까지 연결하는 총 연장 28.25km의 광역철도 사업으로 민간투자방식으로 지어진다.  위례과천선 노선도안 [자료=국토부] ※노선 미확정 위례과천선은 제4차 국가철도망 구축계획 반영 후 2021년 12월 '대우건설 컨소시엄'에서 국토부에 최초제안서를 제출했으며 제안서 검토 및 지자체 협의과정을 거쳐 2022년 9월 민자적격성 조사에 착수했다. 민자적격성 조사 과정에서 원자재 가격 급등, 양재첨단물류단지 개발 등 여건 변화가 발생했고 경제성을 최대한 확보하기 위한 사업계획 보완을 거쳐 올해 11월 최종적으로 사업의 타당성을 인정받았다. 특히 본 사업 영향권에 있는 9개 공공주택지구에 총 8만6000명 규모의 입주가 예정돼 있어 신규 철도노선을 통해 선제적으로 교통난을 해소해 나갈 계획이다. 입주 예정 지구는 과천주암 공공지원주택지구, 서울강남 공공주택지구 등이다. 다만 노선안은 아직 확정되지 않았다. 국토부는 세부노선 및 역사는 실시협약 체결 시 확정‧공개할 방침이다.  윤진환 국토부 철도국장은 "내년 전략환경영향평가를 마무리하고 제3자 제안 공고를 통해 우선협상대상자를 선정해 협상까지 착수하는 것을 목표로 속도감 있게 사업을 추진할 계획"이라고 말했다. min72@newspim.com 2024-11-07 17:36
사진
의왕 오전왕곡, 1.4만 가구 들어선다 [서울=뉴스핌] 최현민 기자 = 2029년 개통예정인 인덕원~동탄 복선전철 그리고 수도권광역급행철도(GTX) C노선이 연계되는 경기 의왕시 오전동, 왕곡동 일대에 약 1만4000가구가 들어선다. 5일 국토교통부에 따르면 지난 8월 발표한 '주택 공급 방안' 후속 조치로 의왕 오전왕곡지구가 신규 택지 후보지로 선정됐다. 오전왕곡지구는 경기도 의왕시 오전동, 왕곡동에 걸쳐 있고 187만㎡(57만평)에 1만4000가구가 들어선다. 의왕 오전왕곡은 경수대로·과천-봉담 간 도시 고속화 도로에 연접한 부지로 산업 기능 유치 잠재력이 높은 곳으로 난개발 방지를 위한 계획적 개발이 요구되는 곳이다. 특히 지구 내 친수 공간이 풍부해 정주 환경이 우수하고 인접한 과천지식정보타운 등과 연계한 의료·바이오 산업 유치에 유리해 자족 기능 확보를 통한 수도권 남부의 새로운 직주 근접 생활 공간 조성이 전망된다. 의왕 오전왕곡은 서울시 경계에서 약 10㎞ 남측, 의왕 IC 인근으로 인접 지역에 의왕·군포·안산 신도시, 의왕고천지구, 의왕백운밸리 등이 위치하고 있다. 과천~봉담 도시 고속화 도로, 경수대로(국도 1호선)가 인접하고 있으며 의왕시청역(가칭) (동탄~인덕원선, 2029년 개통 예정)이 700m 거리에 위치한다. 현재 도시철도 혜택을 받지 못하는 오전왕곡지구는 주변에 형성되는 3개 광역철도와의 연계에 촛점을 맞추고 있다. 국토부는 수도권광역급행철도(GTX)-C, 인덕원-동탄선과의 연계 강화를 통해 서울 도심까지 30분 내 접근이 가능하도록 교통망을 구축하겠다는 계획이다. 우선 GTX-C 노선 연계성, 인덕원~동탄선 접근성 강화 등 철도 교통 접근성을 향상시킨다. 이와 함께 대상지 북측으로 월곶~판교선이 예정돼 있는 만큼 현재 주거단지로 바뀐 백운호수 일대와 연계하는 방안도 고려될 전망이다.  현 과천-봉담 고속화 도로와 경수대로(국도 1호선)의 연결 및 주변 도로 확충을 통해 서울 등 지역 간 접근성 개선 및 교통량 분산도 추진한다. 의왕 TG 광역버스 정류장을 활용한 광역 대중교통 환승 체계 개선과 오전동과 왕곡동으로 분리된 사업 지구 간 도로 연결 체계를 구축해 지구 간 단절을 해소하고 단일 생활권으로 조성한다. min72@newspim.com 2024-11-05 15:00
안다쇼핑
Top으로 이동