[기계신문] 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 다이오드(diode)는 현대 전자공학에서 가장 중요한 소자다. 다이오드는 p형과 n형의 특성을 가진 다른 반도체를 이종접합하여 구현하는 것이 일반적이다.
반도체는 불순물을 첨가하는 도핑이라는 과정을 통해 p형 또는 n형의 특성을 갖게 되며, 접합 후 특성이나 작동 방식에 따라 다양한 소자 성질을 갖게 된다.
한국표준과학연구원(KRISS)은 에너지 손실은 최소화하면서 극한 환경에서도 작동할 수 있는 고성능 2차원 다이오드를 개발했다고 밝혔다.
KRISS 양자기술연구소 정수용 책임연구원 연구팀은 기존 p형과 n형 반도체 결합 방식에서 탈피, 2차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)만을 사용하여 수직형 다이오드를 구현하는 데 성공했다.
이번 기술은 기존 2차원 소자의 문제점을 개선하여 뛰어난 성능과 안정성을 가지며, 특히 단일면적당 전하수송 능력을 의미하는 전류밀도에 있어 세계 최고 수준을 자랑한다.
최근 고효율‧고성능 전자소자의 핵심 물질로 2차원 반도체를 이용한 연구들이 활발하다. 특히 두께가 원자층까지 얇아져도 반도체의 성질을 갖고 있는 층상(layer) 반도체는 초박막 디스플레이, 초소형 전자기기 등 광‧전자 소자기술을 이끄는 차세대 반도체로 떠오르고 있다.
2차원 층상 반도체를 이용한 다이오드를 구현하기 위해 지금까지는 일반적인 p형과 n형 반도체 결합을 시도해왔다. 하지만 외부 환경변화에 직접 노출되는 2차원 물질의 특성상 구조가 다른 두 물질의 접합은 다이오드의 성능을 저해하는 치명적인 요인으로 작용했다.
2차원 소자의 접합면에서 발생하여 전력 손실 등 문제를 일으키는 현상은 쇼트키 장벽(Schottky barrier), 물리‧화학적 결함에 의한 접촉저항 증가, 불완전한 접합에 의한 도핑 등이 대표적이다.
연구팀은 대표적 2차원 층상 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)만을 이용하여 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 p영역과 n영역 사이에는 WSe2 본연의 성질을 지닌 절연층이 샌드위치처럼 들어가 있다. 소자 제작시 이 절연층의 길이, 즉 박막 두께를 조절하면 다양한 장점을 갖는 다이오드로 응용할 수 있다.
이번 기술의 또 다른 장점은 다이오드의 전하수송 원리가 양자 터널링 현상을 기반으로 한다는 것이다. 소자 구동 속도의 증가를 기대할 수 있어 초고속 전자소자에 활용할 수 있을 것으로 전망된다. 양자 터널링(tunneling)은 전자나 원자핵과 같은 미소한 입자는 역장(力場)의 장벽을 투과할 수 있다는 양자역학 특유의 효과다.
정수용 책임연구원은 “이번에 개발한 수직형 다이오드 구조는 소자 구성이 간단하고 WSe2뿐만 아니라 다양한 이차원 물질에도 적용 가능한 플랫폼”이라며 “극고온‧극저온‧초고압 등의 극한 환경에서도 견딜 수 있는 초소형 소자에 활용할 수 있으며, 에너지 손실을 최소화할 수 있어 태양전지나 광원 검출기와 같은 미래 산업에서도 활용성이 높다”고 설명했다.
한편, 이번 연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 12월 게재되었다.