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반도체성과 금속성 동시에 갖는 '2차원 반도체' 개발

IBS 조문호 박사 연구팀 "전류 손실 10분의 1로 줄여"

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 4차 산업혁명 시대를 맞아 사물인터넷(IoT) 기기가 범용화되면서 기존 3차원 실리콘을 대체할 고집적·고성능 반도체 소자가 요구되고 있다.

그래핀 등 원자 한 층으로 된 2차원 물질은 열 전도율과 전기 전도도가 높아 차세대 반도체 소자로 주목을 받고 있다.

하지만 2차원 반도체 소자 역시 그래핀 위에 금속전극을 쌓아 올려 만들기 때문에 경계면을 통해 전자가 이동하면서 전류 손실이 발생한다는 한계가 있다.

이런 가운데 국내 연구진이 반도체성 소재와 금속 소재를 쌓아올리지 않고 옆으로 잇는 방법으로 새로운 2차원 소재를 합성하는 데 성공했다.

소재를 평행하게 연결하게 되면 서로 다른 소재끼리 만나는 부분이 1차원(선)으로 이뤄졌기 때문에, 전위 장벽이 낮아 전류 손실을 줄일 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 조문호 부연구단장 연구팀은 '전이금속-칼코겐 화합물'을 이용해 금속성과 반도체성을 동시에 갖는 반도체 소자를 개발했다고 19일 밝혔다.

2차원 전자소자 모식도
2차원 전자소자 모식도[IBS 제공=연합뉴스]

전이금속 칼코겐 화합물은 그래핀과 비슷한 2차원 구조의 물질로, 투명하고 유연성이 높아 차세대 웨어러블 기기용 소자로 주목을 받고 있다.

특히 전이금속과 칼코겐 원자 간 다양한 방식의 화학 결합이 가능해 하나의 물질로 반도체성과 금속성이라는 다른 성질을 선택적으로 구현할 수 있다.

연구팀은 전이금속-칼코겐 화합물의 일종인 '이텔루륨화몰리브덴'(MoTe₂)을 화학기상증착법(CVD·화학물질이 기판 위에 막을 형성하도록 하는 방법)으로 합성하면 증착 온도가 저온일 때는 반도체성을, 고온일 때는 금속성을 띤다는 사실을 확인했다.

온도에 따라 성질이 바뀌는 이텔루륨화몰리브덴 [IBS 제공=연합뉴스]
온도에 따라 성질이 바뀌는 이텔루륨화몰리브덴 [IBS 제공=연합뉴스]

연구팀이 개발한 반도체-금속 2차원 소자는 접합 부위에서 전위 장벽이 매우 낮아 반도체와 금속 간 접촉 저항(전류 손실)을 기존의 10분의 1로 줄일 수 있다.

이셀레늄화텅스텐(WSe₂), 이텔루륨화텅스텐(WTe₂) 등 다른 전이금속-칼코겐 화합물에도 적용 가능하다.

조문호 부연구단장은 "반도체성과 금속성을 선택적으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 넓은 면적에도 합성할 수 있다"며 "차세대 반도체 개발에 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구성과는 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology) 이날 자 온라인판에 실렸다.

jyoung@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2017/09/19 00:00 송고

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