실리콘 반도체 두께 10분의 1 수준 ‘미래소재 반도체’ 개발

▲ 이영희 나노구조물리 연구단 연구단장(공동교신저자)

IBS, ‘그래핀-이황화몰리브덴-그래핀’ 샌드위치 초박막 반도체

두께가 1.33㎚, 실리콘 반도체의 과다전력과 발열 문제 극복

차세대 반도체 개발에는 초소형ㆍ고효율 연구가 핵심으로 꼽힌다.

이에 연구자들은 기존 실리콘 반도체가 아닌 미래 소재로 ‘그래핀과 이황화몰리브덴(MoS₂)’의 가능성에 주목하고 있다.

일반적으로 금속성을 보이는 그래핀은 특수한 구조로 만들거나 특정 환경에서만 반도체 특성이 나타나 실생활 고성능 반도체로서는 활용도가 낮다.

따라서 최근 그래핀은 MoS₂등 반도체 특성이 있는 2차원 물질 조합해 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리연구단(단장 이영희) 연구진ㆍ성균관대 전자전기공학부 유우종 교수 연구진ㆍ미국 UCLA 화학과 시앙펑 두안 교수 연구진은 공동으로 1.3nm 두께의 초박막 ‘그래핀-MoS₂-그래핀(그래핀-MoS₂ 적층) 반도체’ 광센서를 개발했다고 9일 밝혔다.

그래핀-MoS₂ 적층 반도체는 그래핀과 MoS₂가 중첩되는 모든 영역에서 광전류가 발생해 매우 실용적인 반도체로 알려졌다.

기존에는 3차원 물질인 실리콘이 반도체의 주재료로 사용됐으나, 전문가들은 실리콘 반도체의 한계 두께를 14nm로 본다.

연구진은 2차원 물질인 MoS₂과 그래핀을 각각 반도체와 전극 소재로 사용해 문제를 해결했다.

이번에 개발된 적층 반도체는 두께가 1.33nm로 매우 얇아 동작에 필요한 전압을 크게 낮출 수 있다.

이것으로 실리콘 반도체의 과다전력 소모와 발열 문제도 극복할 수 있게 된 것이다.

또 초고효율 광소자 개발이 탄력을 받을 전망이다.

그래핀-MoS₂-그래핀 적층 구조는 ‘p-n접합 다이오드’가 아니어도 매우 높은 광전류를 생산할 수 있기 때문이다.

1장의 MoS₂(광흡수율 3％)는 7장의 MoS₂(광흡수율 12％)보다 7배 높은 광전류가 흘렀다.

p-n접합 다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체가 결합한 형태를 p-n접합이라 하고 전극을 붙인 p-n접합을 p-n접합 다이오드라고 한다.

유우종 교수는 “연구 성과가 상용화되면 2차원 소재 기반 기술 개발로 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구가 가속화 될 것”이라며 “나노미터 두께의 초박막 반도체가 상용화되면 현재 반도체 시장 규모에 버금가는 경제적 효과가 있을 것”이라고 전망했다.

이번 연구결과는 9일 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 유우종 성균관대 전자전기공학부 교수(공동교신저자)