연세대 임성일 교수 "상온에서 기존 절연층 기반 소자보다 100배 이상 빨라"
국내 연구진이 원자 몇 개 두께의 이황화몰리브덴(MoS₂) 나노박막을 이용, 유리 위에서 작동하는 소자로는 세계에서 가장 빠른 이차원 트랜지스터 소자를 개발했다.
연세대 물리학과 임성일·최형준·김재훈 교수와 국립군산대 물리학과 이기문교수 공동연구진은 29일 유리 기판에 전도성 투명산화물인 니켈산화막을 이황화몰리브덴 박막 채널 위에 쌓은 트랜지스터를 제작, 상온에서 기존 절연층 기반 소자보다100배 이상 빠른 속도를 달성했다고 밝혔다.
이황화몰리브덴은 탄소 소재인 그래핀처럼 수나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 두께의초박막 제조가 가능한 반도체 물질로 현재 기술적 한계에 접근하고 있는 실리콘 반도체를 대체할 미래 소재로 주목받고 있다.
이황와몰리브덴 초박막 트랜지스터는 특히 속도는 빠르지만 전하 흐름 제어가어려운 그래핀의 결점을 극복할 물질로 알려지면서 널리 연구되고 있으나 반도체 성능에 중요한 전하이동속도가 상온에서 수십∼수백㎠/Vs에 불과해 실질적 소자 응용에는 못 미치고 있다.
연구진은 이 연구에서 유리 기판을 기반으로 절연층을 게이트로 사용하는 대신전도성 투명산화물인 니켈산화막을 수나노미터 두께의 이황화몰리브덴 채널 위에 쌓아 트랜지스터 소자를 제작했다.
이 트랜지스터 소자는 1V 저전압으로 유리 위에서 작동하고 상온에서 전하이동속도가 1천200㎠/Vs에 달하는 것으로 확인됐다.
이황화몰리브덴 트랜지스터는 최근 연구에서 극저온에서 작동할 때 3만㎠/Vs라는 높은 전하이동도를 기록하기도 했으나 상온에서는 절연층과 맞닿은 반도체 채널계면의 결함 등으로 이동도가 200∼300㎠/Vs로 떨어진다고 연구진은 설명했다.
임성일 교수는 "이번에 달성한 전하이동속도는 상온에서 이황화몰리브덴 반도체의 실용화 잠재력을 보여준 것"이라며 "이 소자는 광 감지속도도 절연층 기반 소자보다 100배 이상 빠른 것으로 확인됐다"고 말했다.
그는 또 "유리 위에 초고속 트랜지스터 소자를 구현하면 사물인터넷(IoT) 시대에 데스크톱이나 노트북 PC 대신 유리창에 붙어 있는 장치로 빠른 통신과 업무 처리도 가능해 질 것"이라며 "이 연구는 그런 시대를 열 기초 기반 소자를 개발한 것으로 볼 수 있다"고 덧붙였다.
미래창조과학부 기초연구중견(도약)과제 지원으로 수행된 이 연구결과는 미국화학회(ACS)의 나노분야 학술지 'ACS 나노'(ACS Nano, 7월 20일자) 온라인판에 게재됐다.
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