전력 손실이 적고 속도가 빠른 차세대 반도체 소자가 개발됐다.

온도에 따라 반도체에서 도체로 변신하는 2차원 신소재를 활용해 개발된 이 기술엔 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.8 nm 두께의 다이텔레륨 몰리브데늄(MoTe2)이 이용됐다.

다이텔레륨 몰리브데늄은 그래핀처럼 원자 하나 두께의 2차원 평면 물질이다. 몰리브데늄(Mo)과 텔레륨(Te)의 조합으로 된 다이텔레륨 몰리브데늄은 반도체와 도체의 물성 모두를 가질 수 있기에 소자용 소재로 많은 주목을 받아왔다. 하지만 상온에서 특정 부위의 물성을 제어하는 기술 개발이 관건으로 남아있었다.

연구진은 “상온에서 안정적으로 존재하는 다이텔레륨 몰리브데늄 초박막에 레이저를 조사함으로써, 조사된 부위에서만 반도체에서 도체로의 가역적 상전이를 유도해 냈다”고 성과를 전했다. 특히 연구진은 레이저 상전이 유도기술로 반도체-도체 계면의 낮은 저항을 구현해 매우 큰 전자이동도와 낮은 쇼트키 장벽을 얻었다.

쇼트키장벽(Schottky Barrier)이란 도체인 금속과 반도체를 접촉시킬 때 발생하는 전위장벽을 뜻한다. 쇼트키장벽이 낮다는 것은 금속과 반도체 간 전자의 이동이 원활함을 의미한다. 회로의 빠른 스위칭과 정류작용에 쓰일 수 있다.

국내 연구진이 이번에 개발된 소자는 반도체 소자의 전극접합 부위에 레이저를 쬐는 방법으로 전류가 잘 흐르는 도체로 바꿔 소자를 제작한 것이 특징이다.
연구진은 “상온에서는 반도체 상태지만 레이저를 쬐어 고온에 노출된 부분만 도체 상태로 변하는 소재의 성질을 이용했다”고 밝혔다.

일반적으로 반도체 소자는 전극역할을 하는 도체(금속)와 전자의 통로역할을 하는 반도체 물질을 접합해 제작된다. 두 물질 간 경계면의 전기저항이 크기 때문에 소자 작동에 필요한 에너지 중 2/3가 열에너지로 소모된다.

연구진은 새로운 소자를 만들 때 반도체 소자의 특성을 유지하면서 금속전극과의 접합 부위만 도체 상태로 바꿔, 두 물질 경계에서 생기는 저항을 낮췄다. 이를 통해 에너지 손실을 줄이는 동시에 소자의 효율을 올리는 데 성공했다.

연구진은 “대면적화나 표면가공 기술 등 공학적 과제가 해결되면 차세대 2차원 소자가 산업적으로 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다. 이어 “호기심에 의한 연구는 세상에서 가장 즐거운 놀이”라며 신진 연구자에게 격려의 말을 전했다. 

연구를 주도한 양희준 교수는 “2차원 소재의 상전이 제어로 새로운 소자 개념을 제시한 것”이라며 “5년 내 반도체 산업에 응용 가능한 소자를 개발할 것”이라며 포부를 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노구조물리연구단(단장 이영희)과 성균관대학교 에너지과학과 연구팀이 공동 수행했다.