연세대, 초고속 이차원 나노박막 트랜지스터 소자 개발

연세대학교는 최근 연세대 물리학과 임성일, 최형준, 김재훈 교수와 국립군산대 물리학과 이기문 교수 공동연구진이 유리 위에서 동작하는 소자로서 세계에서 가장 빠른 소자인 '이황화 몰리브덴-니켈산화막 쇼트키 트랜지스터'를 기계적 박리법과 자외선 노광공정을 적용해 개발했다고 29일 밝혔다.

수 나노미터의 두께를 가진 이황화 몰리브덴은 그래핀과 같이 이차원 나노박막 반도체로 알려져 있으며, 최근 속도는 빠르나 전하의 흐름이 제어되지 않는 그래핀의 결점을 극복할 수 있는 물질로도 알려져 있다.

하지만 이황화 몰리브덴 트랜지스터의 전하속도인 이동도는 상온 및 대기 중에서 수백내지 수십 cm2/Vs 에 불과했다. 이와 같은 수치는 이황화 몰리브덴 채널 위에 절연층을 게이트로 쓰는 통상적인 트랜지스터에서 얻어졌으며 대부분의 연구자는 실리콘을 소자의 기판으로 사용해왔다.


연세대 물리학과 임성일 교수가 이끈 공동연구진은 절연층을 게이트로 사용하는 방법을 지양하고 전도성 투명산화물인 니켈산화막을 수 나노미터 두께의 이황화몰리브덴 채널위에 적층하여 이동도 1200 cm2/Vs를 갖는 쇼트키 트랜지스터를 성공적으로 제작했다.

이와 같은 나노박막 쇼트키 트랜지스터는 1 볼트 저전압으로 유리 위에서도 구동하며 기존의 절연층 적용 트랜지스터와는 달리 매번 제작할 때마다 놀라운 성능 재현성을 보여준다.

공동 연구진은 전도성 니켈산화막을 이황화 몰리브덴 채널 위에 적용할 때 반데르발스 계면이 형성되고, 절연층 게이트형 소자가 갖는 결함과 전계의 문제를 한꺼번에 해결할 수 있음을 발견했다.


이 같은 쇼트키형 소자의 전하이동속도는 실제 존재하는 이황화몰리브덴 반도체의 잠재력을 보여준 것이며, 이 같은 속도는 쇼트키 소자의 광 감지속도 측정에서도 절연층기반소자에 비해 100배 이상 빠름이 증명됐다.

연구진은 또한 개발된 이차원 극박막 쇼트키 트랜지스터를 녹색 유기발광 다이오드의 점멸 스위칭에도 적용함으로서 픽셀발광에 활용할 수 있다는 점도 확인해 여러 분야에의 실제적인 응용가능성을 보여줬다.

한편, 본 연구는 세계적 나노과학기술 학술지인 'ACS Nano' 7월 20일자에 온라인 게재됐다.