국내 연구진이 포함된 국제 공동 연구진이 2차원 신소재를 적층해 세계에서 가장 얇은 원자층 두께 반도체에서 최고 속도의 전하 이동과 양자수송현상을 관측했다.
연세대 이관형 교수팀은 미국 콜럼비아대 제임스 혼 교수팀, 고려대 이철호 교수와 공동 연구를 통해 차세대 반도체 소재로 주목받는 이황화몰리브덴과 그래핀, 유전체인 질화붕소를 층층이 쌓는 방식으로 원자층 두께의 신개념 소자구조를 개발했다고 27일 밝혔다.
연구팀은 이 소자구조에서 최고 전하 이동도를 측정하고, 세계 최초로 2차원 반도체의 양자수송현상을 관측하는 데 성공했다.
기존 연구에서 이황화몰리브덴 소자는 높은 전극 저항과 무질서한 이종계면 형성 문제로 이론치보다 훨씬 낮은 전하 이동도를 보였다. 소자의 구조적 한계로 이황화몰리브덴 본연의 성능을 발휘하는 데에 한계가 있었다.
연구진은 신개념 소자 적층 구조를 개발해 이종 물질 사이에서 깨끗한 계면을 만들고, 이론적으로만 예상했던 이황화몰리브덴의 최고 전하 이동도 3만4000㎠/Vs를 처음으로 관측했다. 극저온 상태의 자기장 내에서 이동하는 전하와 자기장의 상호작용 현상을 측정해 이황화몰리브덴에서 일어나는 양자진동과 양자-홀 현상(양자수송현상)도 세계 최초로 관측했다.
기존에 고품질 반도체 혹은 그래핀에서만 관측됐던 현상을 2차원 반도체에서 확인함으로써, 양자수송을 활용한 신개념 2차원 반도체 소자 구현 가능성을 열었다. 차세대 반도체 소자로 개발된 탄소와 질소 기반 벤젠고리 6각형 결정구조체 보다 상온에서는 10배, 저온에서는 100배 이상의 전류량과 전하 이동도를 보였다.
이관형 교수는 “차세대 반도체로 주목받지만, 활용 가능성을 입증하지 못했던 이황화몰리브덴의 빠른 전하 이동과 양자수송현상을 입증했다”며 “향후 세계에서 가장 얇은 반도체를 활용한 차세대 반도체 소자 개발 및 정보통신기술(ICT) 산업 발전의 초석이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.
연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 27일자 온라인 판에 게재됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
