국내 연구진이 자기조립 단분자막*을 2차원 나노반도체에 가볍게 증착하는 간단한 p형 도핑**기술을 개발해 2차원 전자소자(p형 트랜지스터)의 성능을 최고 수준(이동도는 초당 최대 250㎠로 세계 최고)으로 향상시켰다. 이 기술은 센서나 태양전지와 같은 다양한 2차원 전자소자나 광전소자를 제어하고 최적화하는데 적극 활용될 것으로 기대된다.
* (자기조립 단분자막) 용액이나 기체로부터 분자 구성체의 흡착에 의해 형성된 유기 조립체. 예를 들면, 에탄올에 A화합물을 녹인 용액에 얇은 금을 넣었다 빼면, 금 표면에 A화합물의 단일분자층으로 된 얇은 막이 생성되는데, 이것을 자기조립 단분자막이라고 함
** (도핑, doping) 전자나 정공(양전하를 가진 전자와 같은 거동을 하는 가상 입자)의 농도를 조절해 반도체의 특성을 바꾸는 과정. 정공이 많으면 p형, 전자가 많으면 n형으로 분류
성균관대 박진홍 교수(교신저자)가 주도하고, 강동호 박사과정연구원(제1저자)과 성균나노과학기술원 이성주 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진연구자 및 중견연구자)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노 과학기술분야 권위지인 ACS Nano 온라인판(1월 28일자)에 게재되었다.
※(논문제목) Controllable Nondegenerate p-Type Doping of Tungsten Diselenide by Octadecyltrichlorosilane
반도체에 불순물을 도핑하면 반도체 속의 전자와 정공의 농도를 조절할 수 있어 반도체의 성능을 높일 수 있는데, 이 때 불순물의 종류와 농도를 조절하는 것이 소자를 최적화하는 관건이다.
그러나 불순물의 농도를 미세하게 조절할 수 있는 기존의 공정(이온을 주입하는 도핑기술)은 물리적인 힘을 이용하기 때문에 반도체의 결정성을 깨뜨릴 수 있어 1나노미터(10억분의 1미터) 이하의 얇은 2차원 나노반도체에 사용하는데 한계가 있었다.
또한, 기존의 기술들은 ㎠(제곱 센티미터) 면적당 1조 개(10의 12승) 이상의 농도로 도핑되어 성능을 극대화하기 어려웠다. 도핑의 농도가 너무 높으면 반도체의 특성이 금속과 비슷해져 전자소자나 광전소자 등을 구현할 수 없게 된다.
연구팀은 종이처럼 매우 얇은 2차원 나노반도체의 결정성을 해치지 않고 농도를 조절할 수 있는 자기조립 단분자막으로 간단하게 기존 기술 대비 10배 낮은 농도의 p형 도핑기술을 개발했다.
연구팀은 양전하를 띠는 자기조립 단분자막(OTS)을 선택해 증착한 후 아래에 놓인 반도체의 전자를 끌어당겨 전자의 농도를 조절하는 원리를 이용해 ㎠ 면적당 천억 개(10의 11승) 이하로 정공 농도를 조절하였다.
이것은 기존의 ㎠ 면적당 1조 개(10의 12승) 이상의 농도로 도핑했던 것에 비해 정밀도 조절이 크게 향상되었다. 또한 대기 중에 오랜 시간(60시간)이 지나도 성능 저하(전자소자를 작동하는 최소전압이 약 18~34%로, 기존 기술은 70%에 달함)가 적고, 가열하면 저하된 도핑 성능이 다시 회복되는 특징을 보였다.
박진홍 교수는 “간단하게 2차원 소자의 성능을 제어하고 최적화하는 도핑기술 개발로, 차세대 2차원 나노반도체 소자 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다.

▲ OTS가 도핑된 WSe2 전자소자 모식도 및 특성분석     © 특허뉴스

 

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