▲ 연세대학교 임성일 교수 [사진 제공=연세대]

연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀이 단일 2차원 반도체조각 기반으로 원자층 증착방법(ALD)을 이용해 안정적인 수소도핑 방법으로 트랜지스터 소자의 전도성을 선택적으로 전환하는데 성공했다. 이로써 향후 2차원 반도체소자 실용화 가능성을 크게 확장시켰다.

가장 대표적인 2차원 반도체 물질인 전이금속디칼코젠 화합물(TMD) 중 하나인 몰리브덴 텔루르화물(MoTe2)은 2010년 노벨 물리학상을 수상한 그래핀과 같이 원자층간 결합이 반데르발스 결합으로 돼 있어 기계적 박리에 의한 2차원 형태의 구현이 가능하다.

밴드갭이 거의 없어 실제 반도체소자로 응용의 한계가 있는 그래핀과 달리 몰리브덴 텔루르화물은 실리콘과 유사한 밴드갭 크기를 가지고 있어 실리콘을 대체할 수 있는 물질로 국내외에서 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 동시에 N형, P형을 안정적으로 구현하지 못해 실제 산업화에 적용시키기에는 한계가 있었다.

연구진은 수 나노미터 두께의 몰리브덴 텔루르화물 채널 위에 원자층 증착방법을 통한 수소도핑 후 P형 소자가 N형으로 특성이 전환되는 것을 확인했다. 특히 전환된 N형 반도체는 수소도핑에 따라 전류의 증가뿐만 아니라 트랜지스터 소자의 안정성을 보여줌을 확인했다.

이러한 수소도핑의 자세한 메커니즘, 즉 수소도핑이 어떻게 N형 전하운반자를 생성하는지는 연세대학교 최형준 교수팀의 정밀 계산과학을 통해 규명됐다.

연구진은 이러한 결과를 기반으로 원하는 부분에만 선택적인 수소도핑을 실시함으로써 안정적인 N형과 P형 트랜지스터 소자를 동시에 구현했으며, 이를 통해 가장 기본적인 논리회로인 상보형 금속산화반도체(CMOS)를 제작했다. 또한 DC 전압과 AC 전압에서 모두 안정적으로 회로가 작동하는 것을 확인했다.

임성일 교수는 “이번에 발견한 수소도핑은 기존 실리콘 반도체 산업에서 흔히 쓰이는 노광과정과 원자층 증착방법을 이용하기 때문에 실제 이차원 차세대 반도체의 실용화 과정에서 굉장히 의미 있는 연구결과가 될 것”이라고 말했다.

한편, 이 연구는 미래창조과학부의 중견연구자 도약사업 및 선도연구센터사업의 지원으로 수행되었으며, ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, Impact Factor = 18.96)’에 최근 온라인 게재되었다. 연세대학교 물리학과 임성일 교수(교신저자)와 임준영 박사과정 학생(제1저자)이 소자제작 및 전기적 특성 등을 측정했고, 최형준 교수(교신저자)가 몰리브덴 텔루르화물의 수소원자 도핑메커니즘을 계산을 통해 규명했다.
 

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