한국표준과학연구원 연구팀이 수직형 다이오드 전자수송 특성 측정을 준비하고 있다. (사진=한국표준과학연구원 제공)
한국표준과학연구원(KRISS)이 에너지 손실은 최소화하면서 극한 환경에서도 작동할 수 있는 고성능 2차원 다이오드를 개발했다고 16일 밝혔다.
KRISS 양자기술연구소 정수용 책임연구원팀은 기존 반도체 결합 방식에서 벗어나 2차원 반도체 물질만을 사용해 수직형 다이오드를 구현하는 데 성공했다.
최근 고효율‧고성능 전자소자의 핵심 물질로 2차원 반도체를 이용한 연구들이 활발하다. 특히 두께가 원자층까지 얇아져도 반도체의 성질을 가는 층상(layer) 반도체는 초박막 디스플레이와 초소형 전자기기 등 광‧전자 소자 기술을 이끄는 차세대 반도체로 떠 오르고 있다.
2차원 층상 반도체를 이용한 다이오드(전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 소자)를 구현하기 위해 지금까지는 p형(플러스 전하)·n형(마이너스 전하) 반도체 결합을 주로 시도했다.
하지만 외부 환경변화에 직접 노출되는 2차원 물질의 특성상 구조가 다른 두 물질의 접합은 다이오드의 성능을 저해하는 치명적인 요인으로 작용했다.
이셀레늄화텅스텐(WSe2) 기반의 수직형 다이오드 모식도. (사진=한국표준과학연구원 제공)
정수용 책임연구원팀은 대표적 2차원 층상 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)만을 이용해 안정적인 고성능 다이오드를 구현했다.
기존의 방식이 p형과 n형으로 도핑된 다른 물질을 접합시켰다면 이번 기술은 도핑 현상을 이용해 WSe2 물질의 양 끝단에 p형과 n형의 특성을 유도한 것이다.
연구팀이 개발한 수직 다이오드의 p 영역과 n 영역 사이에는 WSe2 본연의 성질을 지닌 절연층이 샌드위치처럼 들어가 있다. 소자 제작 시 이 절연층의 길이, 즉 박막 두께를 조절하면 다양한 장점이 있는 다이오드로 응용할 수 있다는 의미다.
정수용 책임연구원은 "소자 구성이 비교적 간단한 데다 다양한 이차원 물질에도 적용 가능한 플랫폼"이라며 "극한 환경에서 견딜 수 있는 초소형 소자에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.
이어 "에너지 손실을 최소화할 수 있어 태양전지나 광원 검출기 같은 미래 산업에서도 활용성이 높을 것으로 본다"고 덧붙였다.
연구 논문은 지난달 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 실렸다.