▲ 자가치유 반도체 소자 개발 / (a) CuS 전극을 통한 MoS2 자가치유 모식도. CuS 전극의 황 원자들을 통해 MoS2의 결함을 채워 자가치유 특성을 발현함. (b) MoS2/CuS 트랜지스터 소자 및 유연 소자와 이의 동작 특성. (c) 높은 전자이동도 (~100cm2V-1s-1)와 ON/OFF 비율 (>108) 등의 우수한 성능 구현. (그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박상연 박사후연구원)  © 특허뉴스

손상된 기능을 스스로 치유하는 초박막 반도체 소자가 소개됐다. 자가치유 특성을 통해 반도체 소자의 성능을 획기적으로 늘릴 단초가 될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 성균관대학교 차승남 교수 연구팀(박상연 박사, 제 1저자)이 장승훈 박사(한국화학연구원)와 홍승현 교수(국민대학교)와의 공동연구로 기존 금속전극 대신 2차원 황화구리 (CuS) 전극을 새롭게 제안, 자가치유 특성을 갖는 2차원 이황화 몰리브덴(MoS2) 기반 전자소자를 제작하여 소자의 성능을 크게 개선하는데 성공했다고 26일 밝혔다.

2차원 반도체 소재는 유연성과 투명성 등으로 인해 차세대 반도체 소재로서 주목받고 있으나, 원자층 수준의 얇은 두께로 인해 반도체 소자 제작 공정에서 손상되기 쉽다.

특히 전극과 2차원 반도체 계면의 결함과 변칙성으로 인해 전자의 효과적인 이동이 어려워져 소자 특성이 크게 저하될 수 있다.

이에 연구팀은 2차원 반도체 소재 결함의 자가치유 성능을 지니는 전극-반도체 소재 시스템을 제안했다.

2차원 이황화 몰리브덴의 결함은 대부분 황 원자의 결핍에 의해 발생된다. 황화구리 전극은 소재 내에 존재하는 잉여 황 원자를 2차원 이황화 몰리브덴의 황 원자 결핍 부위에 공급하여 결함을 치유한다. 이러한 결함의 치유는 2차원 반도체 소재 내의 전하 이동을 원활하게 하여, 소자 특성을 향상시킨다.

연구팀은 결함 치유의 작동기작을 다양한 전기적, 분광학적 분석 및 제 1 원리 계산을 통해 규명했다.

▲ 자가치유 기작 규명 / (a) 제1원리 계산을 통한 자가치유 기작의 해석 (b) 전자현미경으로 관찰한 MoS2 소재의 자가치유현상. 전자현미경 사진에서 관찰되는 결함들이 CuS에서 공급되는 S에 의해 치유된 MoS2(그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박상연 박사후연구원)  © 특허뉴스

자가치유 기능을 포함하는 2차원 이황화 몰리브덴 기반 트랜지스터 소자는 후면 게이트 구조에서 현재까지 보고된 가장 높은 전자이동도를 달성하였으며, 소자의 높은 전자이동도와 광민감도를 나타내 차세대 유연/웨어러블 기기의 핵심 소자로서의 활용 가능성을 높였다.

한편 연구팀은 자가치유 특성을 다양한 반도체 소자 적용할 수 있는 소재의 범위를 확장하고, 이의 성능 안정성을 개선하는 후속연구를 지속할 계획이다.

이번 연구의 성과는 소재 분야 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 표지 논문(Frontispiece)으로 9월 4일 온라인 게재되었다.