다양한 전자 기계가 발달하면서 투명하면서도 휘어지는 성질을 가진 고성능의 반도체 개발에 대한 필요가 증가하고 있다. 그러나 현재 주로 사용되는 실리콘 소재의 반도체로는 이러한 반도체를 만들기 어려워 신소재에 대한 연구가 활발하다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀이 신소재인 흑린(黑燐)을 이용해 안정성과 성능이 높은 트랜지스터(transistor)를 개발했다. 흑린은 공기 중에서 반응속도가 너무 높아 불안정하다는 단점 때문에 트랜지스터로 만들기에 어려움이 많았다.
연구팀은 반응을 억제하기 위해 보호막을 씌워 안정성을 확보했다. 이렇게 개발된 트랜지스터는 안정적일 뿐 아니라 성능도 뛰어나 차세대 반도체 개발에 한층 가까워졌다는 평가이다.
그래핀은 2004년 발견된 이래, 실리콘을 대체할 차세대 반도체 재료로써 각광 받아왔지만 도체인 금속 성질이 더 우세하여 반도체에 적용하기에 어려운 점이 많았다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 이황화몰리브덴 등의 재료가 트랜지스터로써 개발되었지만, 성능부분에서 한계가 있었다.
흑린(black phosphorus)은 인(phosphorus)과 원소는 같으나 모양과 성질이 다른 동소체로 그래핀과 마찬가지로 두께가 원자 수준으로 얇으며 원자가 층 구조인 물질이다. 이런 특성으로 인해 흑린은 기존 물질을 대체할 차세대 반도체 재료로 관심이 높다. 하지만 공기 중에서의 반응속도가 너무 높아 안정적이지 못해 반도체 소자를 제작하고 구동하는데 어려움이 많았다.
연구팀은 각각의 공정에서 저주파 잡음(low-frequency noise)을 비롯한 전기적 측정 및 분석을 수행했다. 그 결과 열로 인한 효과와 별도로, 저주파 잡음 수준이 산화알루미늄 보호막 증착을 통해 줄어드는 것을 확인하였다.
또한 추가적으로 광학현미경 사진과 라만 분석을 통해 2개월 후에도 산화알루미늄막이 보호층으로 작동하여 흑린이 공기 중에도 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 밝혔다.(그림 5) 이는 산화알루미늄 보호층을 적용한 흑린 트랜지스터 소자가 안정적이고 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다.
하지만 대량생산을 위해서는 흑린 소재를 균일하고 대면적으로 합성할 수 있는 기술의 개발이 추후 보완되어야 한다. 본 연구에서는 위와 같은 응용분야에서 흑린이 트랜지스터로써 안정적으로 동작할 수 있다는 것을 밝히고, 기본적인 소자 특성을 평가하고 개선하였다는데 그 의의가 있다.
제 1저자인 나준홍 박사는 “이번 연구결과를 통해 그동안 논란이 되어왔던 흑린 소재의 트랜지스터가 안정적으로 구동된다는 것을 확인할 수 있었다”며, “나아가서 이번 연구는 흑린 내에서의 전하 이동 메커니즘을 이해하는데도 큰 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계면제어연구센터 최원국 박사, 송용원 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 무기물 보호층을 적용하여 수 나노미터(nanometer) 두께의 흑린을 대기 중에서도 안정적으로 구동할 수 있는 트랜지스터로써 탈바꿈 시켰을 뿐만 아니라, 저주파 잡음 측정을 통하여 흑린 트랜지스터의 동작 원리를 분석하고 성능이 개선된 것을 확인하였다.
이번 연구 성과는 ACS Nano에 “Few-Layer Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Reduced Current Fluctuation” (DOI: 10.1021/nn5052376)라는 제목으로 11월 4일(화)에 온라인 게재되었다.
이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다.
○ 연구진:
■ Dr. 송용원, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST
■ Dr. 최원국, 책임연구원, 계면제어연구센터, KIST
■ Dr. 나준홍, 박사후연구원, 계면제어연구센터, KIST
김환배 jwycp@hanmail.net
