서울대 연구팀, 차세대 반도체 소재 '이황화몰리브덴'의 전자 이동도 극대화 방법 제시

(왼쪽부터) 서울대 물리천문학부 이탁희 교수, 재료공학부 강기훈 교수, 조경준 박사(한국과학기술연구원), 장준태 연구원(서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정생). 사진 서울대학교 *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]김수연 인턴 기자 = 서울대학교는 차세대 반도체 소재로 각광받고 있는 이황화몰리브덴의 전자 이동도를 극대화하는 방법이 물리천문학부 이탁희 교수와 재료공학부 강기훈 교수 연구팀에 의해 규명됐다고 22일 밝혔다. 본 연구결과는 학술지 'Science Advances'에 지난 21일 게재됐다.

반도체 업계는 실리콘 칩 안에 더 많은 칩을 넣기 위한 연구를 지속해왔지만, 실리콘 기반 반도체는 두께가 나노 단위로 줄어들수록 물질 자체의 불완전함으로 인해 물리적 한계에 마주할 것으로 연구자들이 예상하고 있다. 이러한 가운데, 원자 한 층 수준에서도 안정적인 이차원 물질인 이황화몰리브덴이 주목받고 있다.

이황화몰리브덴은 원자 한층 수준에서도 전계효과 트랜지스터 및 광전자 소자로 뛰어난 성능을 보이며, 수많은 이차원 물질과 이종접합구조(heterostructure)의 형태로 새로운 특성을 가진 구조를 제작할 수 있어 차세대 반도체 소재로 평가받는다.

이황화몰리브덴이 반도체 소재로 상용화되기 위해서는 도핑을 통한 소자 성능 제어가 필수적이다. 이차원 반도체 물질 도핑 방법으로는 치환 도핑, 정전기 도핑, 전하이동 도핑이 있는데, 이 중 전하이동 도핑은 전하를 띈 불순물이 필수 불가결하게 유입돼 그로 인해 발생하는 전하 산란으로 이차원 반도체의 전자 이동도가 낮아진다는 단점이 있다.

이에 본 연구팀은 기존의 표면 전하이동 도핑을 한층 더 발전시킨 육각 질화 붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)와 이황화몰리브덴 이종접합구조에서 전자 이동도를 극대화할 수 있는 새로운 원격 전하이동 도핑(remote doping) 방법을 제시했다.

특히 원격 전하이동 도핑과 기존 도핑 방법으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터의 성능을 극저온에서 비교 분석한 결과 원격 전하이동 도핑 소자에서 전하 산란이 효과적으로 줄어든다는 것을 확인했으며 이로 인해 매우 높은 전하 이동도를 보였다.

또 원격 전하이동 도핑은 다른 치환 도핑 방법과 달리 비침투적이며, 산화-환원반응에 기반해 필요에 따라 도핑 물질을 선택할 수 있는 높은 자유도를 가져 이차원 반도체 연구 분야에서 활용될 수 있는 발전 가능성을 가지고 있다는 것이 연구팀 측 설명이다.

이탁희 교수는 "도핑은 반도체 소자의 특성을 제어할 수 있는 가장 핵심적인 개념 중 하나"라며 "본 연구 결과는 반 데르 발스 힘에 의해 자연스럽게 접합 구조가 가능한 이차원 물질의 특성을 적극 활용한 가장 효과적인 도핑 방법 중 하나를 선보이고 있다"는 연구의의를 밝혔다.    

전하 불순물 산란 효과의 감소 원인을 규명하기 위한 기존 도핑과 원격 도핑 사이에서의 전하 이동도 비교. a 기존 도핑에서의 전하 농도에 따른 전자 이동도 및 모식도 b 원격 도핑에서의 전하 농도에 따른 전자 이동도 및 모식도 *재판매 및 DB 금지

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