▲ 밴드 정렬된 원자층 반도체 이종접합구조 모식도 / (좌) 원거리 변조 도핑을 위해 제작한 원자층 반도체 기반 이종접합 구조의 모식도. 일반적인 도핑의 경우 이황화몰리브덴(MoS2) 표면에 이온화된 불순물(PPh3)이 남아 있어 이황화몰리브덴 내부로 전자가 이동시 전하산란현상이 일어나지만 이황화몰리브덴과 이온화된 불순물 사이에 이셀레늄화텅스텐/육방정 질화붕소(WSe2/hBN) 이종접합구조를 삽입하여 채널 층 내의 전자와 공여체를 공간적으로 분리함으로써 공여체에 의해 전자는 채널층으로 주입되지만 이온화된 불순물에 의한 전하산란현상은 억제할 수 있어 전하이동이 방해받지 않도록 설계하였다. (우) 해당 구조의 에너지 밴드 정렬 모식도. 제시된 구조에서는 도핑을 통해 주입된 전자(그림에서 파란색 원으로 표시)는 층간 전하 이동을 통해 이황화몰리브덴(MoS2) 내부로 쉽게 전달되는 반면 공여체(PPh3)는 채널 층과 멀리 떨어질 수 있다. (그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 이철호 교수)  © 특허뉴스

원자층 반도체는 원자 한 층 두께로 얇고 전기적 성질이 우수하여 투명하고 유연한 소자 등에 쓰일 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 가운데, 반도체 채널 내 불순물이 전하의 이동을 방해해 초고속 소자로의 개발이 더딘 상황에서 전하의 진로를 방해하지 않도록 불순물을 공간적으로 분리할 수 있는 도핑기술이 선보였다.

한국연구재단은 이철호 교수 연구팀(이동훈 박사 등, 고려대학교 KU-KIST 융합대학원)과 공동연구팀(경희대학교 김영덕 교수, 울산과학기술원 정후영 교수 등)이 원자층 반도체, 이황화 몰리브덴의 전하이동도를 향상시킬 수 있는 원거리 도핑기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이황화 몰리브덴(MoS2)은 대표적인 원자층 반도체 물질로, 한 층의 두께가 0.7nm 수준으로 얇으며, 그래핀과 달리 밴드갭을 가지고 있다. 또한 다층에서는 간접 밴드갭 에너지를 가지다가 단층이 되면 직접 밴드갭 에너지를 가지는 특성이 있다. 이를 이용하여 트랜지스터, 정류기, 광검출기, 태양전지, 발광다이오드 등 다양한 반도체 소자들에 쓰이고 있다.

반도체에 전자 등을 추가로 주입하는 도핑과정을 거치면 반도체의 특성을 바꾸거나 새로운 특성을 부여할 수 있다. 다만 이 과정에서 불순물이나 결함 등이 생겨나는데 특히 얇은 원자층 반도체의 경우 잔류하는 불순물에 전하가 충돌하면서 전하의 이동이 느려지는 것이 문제였다.

이에 연구팀은 서로 다른 3개의 원자층 반도체를 적층하고 전하가 이들 층간을 이동하도록 함으로써 물질 내부 또는 표면에 자리한 불순물과 충돌을 줄일 수 있는 구조를 설계했다.

전하이동이 실제 이렇게 만들어진 이종접합 소자는 기존 소자보다 전하이동도가 18배 향상되었다.

기존에도 고유전율 절연체 혹은 원자층 절연체를 게이트 산화물로 사용하여 전하산란을 억제하려는 연구가 있었으나 도핑을 하면서 동시에 전하산란 현상을 억제하는 기술은 없었다.

이번 연구에서는 원자층 반도체로 이황화몰리브덴을 사용하였으나 연구팀은 이같은 원리는 다양한 도핑방법 및 이종접합 소자구조에서도 적용될 수 있기 때문에 다른 원자층 반도체에도 접목할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이에 연구팀은 원자층 반도체 물질 기반 전자소자의 대면적화와 다른 물질군으로의 확대를 위한 후속연구를 수행하고 있다.

이번 연구성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 9월 13일 게재되었다.