국내 연구진이 단일 반도체 물질을 활용해 극한 환경 내구성과 성능을 높인 이차원 다이오드를 개발했다. 이 다이오드를 활용하면 늘어나는 극고·저온, 초고압, 고방사선 조건용 전자소자 수요에 대응하고 관련 산업 발전을 이끌 수 있다.
한국표준과학연구원(원장 박상열)은 정수용 양자기술연구소 박사팀이 이차원 반도체 물질인 '이셀레늄화텅스텐((WSe₂)'을 활용해 극한 환경에서 작동하는 고성능 이차원 다이오드를 개발했다고 16일 밝혔다.
이차원 다이오드는 차세대 이차원 반도체 소자 구현에 필요한 핵심 분야다. 그동안은 보통 다이오드와 마찬가지로 각기 다른 'p형 반도체'와 'n형 반도체'을 결합해 만드는 방식이 주를 이뤘다. p형 반도체는 전하전달자 역할을 하는 '정공(hole)'이 더 많은 반도체를, n형 반도체는 '전자'가 더 많은 반도체를 뜻한다. 그런데 이차원 구조는 기존 삼차원 구조와 달리 층 전체가 외부에 노출돼 더욱 민감하다. 작은 결함도 크게 작용한다. 두 가지 반도체 물질을 접합하는 것보다는 단일 물질을 활용하는 것이 성능 확보에 유리하다.
연구팀은 이차원 반도체 물질인 WSe₂ 양 끝단에 p형과 n형 특성을 유도하는 방법으로 문제를 해결했다. WSe₂에 각기 다른 금속을 증착시키는 방법을 썼다. 전자가 많은 금속과 적은 금속을 달리 더해 부위별 다른 성질을 띠게 했다.
연구팀은 이 기술로 이차원 다이오드 내구성과 성능을 대폭 높일 수 있다고 설명했다. 구조가 안정돼 극한 환경에서 훨씬 내구성이 높고 결함 발생 가능성도 적어진다. 이차원 다이오드 구현으로 미세 구조에서 더욱 많이 발생하는 '양자 터널링' 현상도 활용할 수 있다. 양자 터널링 현상은 전자와 같은 미소 입자가 장벽을 빠르게 투과하는 현상이다.
정수용 표준연 박사는 “이번에 개발한 다이오드 구조는 소자 구성이 간단하고, 다른 이차원 물질에도 적용 가능하다”며 “극한환경에 견디는 초소형 소자에 쓸 수 있고, 태양전지나 광원 검출기에도 활용할 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
