조문호 IBS 원자제어저차원 전자계 연구단 부연구단장(왼쪽)과 서승영 IBS 석박사통합과정 연구원(포스텍 신소재공학과) IBS 제공기초과학연구원(IBS)은 원자제어저차원 전자계 연구단 연구팀이 2차원 반도체에 빛을 쪼이면 스스로 도핑이 되는 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.도핑은 순수 반도체에 불순물을 주입해 성능을 높이는 공정이다.
일반적으로 전자가 많은 n형 반도체나 정공(hole)이 많은 p형 반도체 형태로 도핑한다.
차세대 반도체 후보로 주목받는 원자층 2차원 반도체는 둘둘 말리는 전자기기, 사물인터넷(IoT) 전자 부품, 극초소형 컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 소재로 꼽힌다.지금까지는 기술적으로 고성능 회로를 만들기 위한 도핑 방법이 없었다.
원자 두께로 얇은 2차원 반도체에 불순물을 주입할 경우 깨질 가능성이 있는 데다 농도를 섬세하게 조절하기 어렵기 때문이다.
연구팀은 인위적으로 불순물을 넣지 않고 가시광선을 쏘는 방식으로 원자층 2차원 반도체 트랜지스터 소자(p형) 도핑에 성공했다.주사터널링현미경(STM)으로 반도체를 관찰하면서 전자가 많은 형태의 n형 반도체에 초록색(파장 532㎚) 레이저 빛을 수 초간 쐈다.
그러자 반도체 표면과 내부에는 국소적인 원자결함이 생겼다.
이후 그 공간으로 공기 중 산소로부터 정공이 주입되면서 최종적으로 p형으로 도핑됐다.빛의 세기와 쏘는 시간을 조절해 도핑 농도를 제어할 수도 있다고 연구팀은 설명했다.
정공 농도에 따라 반도체 소자 전기전도도 성능이 최대 10만 배까지 높아졌다고 덧붙였다.
개발된 도핑 공정을 이용해 연구팀은 다양한 2차원 반도체 회로를 제작하기도 했다.
이텔루륨화몰리브덴 화합물에 레이저 도핑을 접목해 2차원 양극성 접합 트랜지스터와 2차원 광전압 변환기 등을 구현했다.
원자층 2차원 반도체를 재료로 도핑하고, 실제 회로 구현으로까지 이어진 첫 사례라고 IBS 측은 강조했다.
IBS 원자제어저차원 전자계 연구단 조문호 부연구단장은 "반도체 물질과 빛의 상호 작용에 대한 기초 과학 연구가 차세대 반도체 회로 응용기술로 바로 적용된 것"이라며 "기초 과학과 응용기술 순환 일체형 연구는 미래 기술 개발에 있어 새로운 가치 창출 방식의 핵심이 될 수 있다"고 말했다.
논문은 전자 소자 분야 학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics) 온라인판에 실렸다.