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이차원 반도체 상용화 걸림돌, 전류 증폭 현상 원인 찾았다

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2018년 07월 30일 16:53 프린트하기

국내 연구진이 ‘꿈의 소재’ 그래핀을 비롯한 이차원 반도체 물질에 흐르는 전류가 특정 전압에서 비정상적으로 증폭되는 현상의 원인을 처음으로 찾았다. 초박막 웨어러블 기기에서 안정적으로 구동하는 이차원 반도체 소자 개발에 도움이 될 전망이다.

 

정승준 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 선임연구원 팀은 이탁희 서울대 물리천문학부 교수팀과 공동으로 이차원 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)으로 만든 전압 제어형 반도체인 전계효과트랜지스터(FET)에서 나타나는 이상 전류 증폭 현상의 원인을 규명했다고 30일 밝혔다. 연구진은 이차원 반도체 두께로 전류가 증폭되는 임계전압을 조절할 수 있다는 사실도 알아냈다.

강한 전기장 환경에서 기하급수적으로 전자와 홀들이 생성되는 것을 아발란체 현상이라고 한다(왼쪽). 오른쪽은 이차원 반도체 두께에 따라 달라지는 임계전압의 크기를 나타낸 그래프. 두께가 두꺼울수록 임계전압이 낮아진다는 것을 알 수 있다. - 자료: ACS나노
강한 전기장 환경에서 기하급수적으로 전자와 홀들이 생성되는 것을 아발란체 현상이라고 한다(왼쪽). 오른쪽은 이차원 반도체 두께에 따라 달라지는 임계전압의 크기를 나타낸 그래프. 두께가 두꺼울수록 임계전압이 낮아진다는 것을 알 수 있다. - 자료: ACS나노

이차원 물질 중에서도 이황화몰리브덴은 전하 이동 속도가 높으면서도 잘 휘고 투명하다. 특히 박막으로 제작하기도 쉬워 차세대 초박막 웨어러블 반도체 소재로 꼽힌다. 하지만 전자 소자의 크기가 수 ㎛(마이크로미터·1㎛는 100만 분의 1m) 이하로 작아짐에 따라, 반도체 층이 강한 전기장에 노출됐을 때 반도체 내부의 높은 전류로 인해 많은 열이 발생해 반도체가 제대로 작동하지 않는 문제가 있었다.
 
연구진에 따르면 FET의 전압이 임계전압을 넘을 경우 전류가 증폭되는 이유는 ‘아발란체 붕괴(avalanche breakdown)’라는 현상 때문이다. 반도체 속의 강한 전기장에 의해 가속돼 높은 운동에너지를 갖게 된 전자가 물질을 이온화 시키면서 새로운 전자와 홀을 생성하고, 결과적으로 전하를 수송하는 자유 캐리어들이 많아지는 현상이다. 이렇게 되면 전기저항이 작아지고 전류는 증폭된다.
 
연구진은 임계전압이 이차원 반도체의 두께에 따라 바뀐다는 사실도 발견했다. 즉, 두께가 두꺼울 때는 임계전압이 낮았고 반대로 두께가 얇을 때는 임계전압이 높았다. 정 연구원은 “두께로 임계전압을 조절할 수 있다는 점을 입증한 셈”이라며 “향후 초박막 이차원 반도체와 전자재료 기반의 차세대 웨어러블 응용소자 구현의 핵심 기반이 될 것”이라고 기대했다.
 
연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 나노’ 6월 28일자에 게재됐다.

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