IBS·성균관대 공동연구팀 주도…레이저 쬐어 반도체-도체 자유자재 변환
기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(단장 이영희)과 성균관대학교 에너지과학과 양희준 교수로 이뤄진 공동연구팀이 온도에 따라 반도체에서 도체로 변신하는 2차원 신소재를 활용해 전력손실이 적고, 속도는 빠른 차세대 반도체 소자를 개발했다고 7일 밝혔다.
이 연구에선 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.8나노미터(nm) 두께의 '다이텔레륨 몰리브데늄'이 이용됐다.
'다이텔레륨 몰리브데늄'은 상온에서 반도체 상태이나 고온에 노출됐다 상온으로 돌아오면 도체로 변한다. 반도체와 도체 물성을 함께 가져 전자소자나 센서, 광소자 등의 신소재로 꼽힌다.
이번에 개발된 소자는 반도체 소자의 전극접합 부위에 레이저를 쬐는 방법으로 전류가 잘 흐르는 도체로 바꿔 소자를 제작한 것이 특징이다. 상온에서는 반도체 상태지만 레이저를 쬐어 고온에 노출된 부분만 도체 상태로 변하는 소재의 성질을 이용한 것이다.
통상 반도체 소자는 전극역할을 하는 도체(금속)와 전자의 통로역할을 하는 반도체 물질을 접합해 제작하는 데, 두 물질 간 경계면의 전기저항이 커 소자 작동에 필요한 에너지 중 3분의 2가 열에너지로 소모된다.
연구진은 새로운 소자를 만들 때, 반도체 소자의 특성을 유지하면서 금속전극과의 접합 부위만 도체상태로 바꿔 두 물질 경계에서 생기는 저항을 낮췄다. 이를 통해 에너지 손실을 줄이는 한편 소자의 효율을 올리는 데 성공했다.
연구진은 지난 5월 500℃이상 온도에서 반도체 성질이 금속성질로 바뀌는 소재 특성을 밝힌데 이어, 레이저를 쬐는 간단한 방법을 이용해 신개념의 반도체 소자를 제작할 수 있음을 증명했다.
공동연구팀은 "전자기기의 동작속도를 좌우하는 전자이동도가 기존(2차원 반도체 소자) 대비 50배 이상 커 초고속, 저전력 전자기기 구현에 적합하고 공정이 간단해 제작비용을 줄일 수 있는 것이 장점이 있다"고 설명했다.
앞으로 소재의 대면적화, 표면가공 기술 등의 개발을 통해 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 양 교수는 "5년내 반도체 산업에 응용 가능한 소자를 개발할 것"이라고 말했다.
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이번 연구성과는 국제학술지인 '사이언스' 7일자에 게재됐다.
