그래핀-이황화몰리브덴 샌드위치 초박막 반도체 - 1.3나노미터 광센서…실리콘 반도체 두께 10분의 1수준

그래핀-이황화몰리브덴 샌드위치 초박막 반도체 - 1.3나노미터 광센서…실리콘 반도체 두께 10분의 1수준

 

보도일 2016-11-09 19:00 연구단명나노 구조 물리 연구단

 

 

 

그래핀-이황화몰리브덴 샌드위치 초박막 반도체
- 1.3나노미터 광센서…실리콘 반도체 두께 10분의 1수준 -

  차세대 반도체 개발은 초소형·고효율 연구가 핵심이다. 웨어러블 기기와 사물인터넷이 주가 되는 미래 모바일 환경을 위해서다. 최근, 연구자들은 반도체 미래 소재로 그래핀 연필심으로 사용되는 흑연의 표면층을 원자 두께로 한 층만 살짝 떼어낸 그래핀은 2004년 영국의 가임 교수와 노보셀로프 교수가 발견해 2010년 노벨물리학상을 수상한 이래, 구리보다 높은 전기전도도와 다이아몬드보다 높은 강도로 인해 '꿈의 신소재'라 불리며 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.
과 이황화몰리브덴(이하 MoS2) 몰리브데늄(Mo)과 황(S) 화합물로 그래핀과 같이 2차원 평면구조를 갖으며, 반도체 특성을 지닌다. 잘 늘어나고 휘어 웨어러블 소자로 적합하다.
의 무한한 가능성에 주목하고 있다.
  일반적으로 금속성을 보이는 그래핀은, 특수한 구조로 만들거나 특정 환경에서만 반도체적 특성이 나타난다. 그래핀은 너비가 10 nm 이하의 매우 얇은 띠 형태의 구조, 또는 2장으로 이루어진 그래핀에 수직 방향의 전압이 가해진 환경에서만 반도체 특성이 나타냄.
 실생활에 적합한 고성능 반도체 소재로써 활용이 더딘 이유다. 이 같은 한계를 극복하고자 MoS2 등 반도체 특성을 갖는 2차원 물질과 그래핀 조합의 연구가 활발하다.

MoS2 반도체 vs 그래핀-MoS2 적층 반도체 : MoS2 양 끝단에 금속 전극을 올려 광전류를 측정한 결과, 금속과 MoS2가 만나는 좁은 영역에서만 광전류가 발생한다. 반면 그래핀-MoS2 적층 반도체는 그래핀과 MoS2가 중첩되는 모든 영역에서 광전류가 발생해 매우 실용적이다.

  미래창조과학부 산하 기초과학연구원 나노구조물리연구단(단장 이영희,  성균관대 물리학과) 연구진과 성균관대학교 유우종 교수(전자전기공학부) 연구진, 미국 UCLA 시앙펑 두안 교수(화학과) 연구진은 공동연구로 1.3nm 나노미터, 10억분의 1미터로 머리카락(약 0.1 mm) 지름의 10만분의 1 수준
 두께의 초박막 그래핀-MoS2 적층(그래핀/MoS2/그래핀) 반도체 광센서를 개발했다.
  기존 반도체의 주재료는 3차원 물질인 실리콘(Si)이다. 전문가들은 다수 전자 흐름에 의한 발열 등의 문제로 실리콘 반도체의 한계 두께를 14nm로  보고 있다. 연구진은 2차원 물질인 MoS2, 그래핀을 각각 반도체와 전극 소재로 사용해 돌파구를 찾았다. 이번에 개발된 적층 반도체는 두께가 1.33nm 그래핀(전극)/MoS2(반도체)/그래핀(전극)을 쌓아 만든 구조로 각각 0.34nm/0.65nm/0.34nm로 총 두께가 1.33nm로 매우 얇은 반도체 광센서
로 매우 얇아 동작에 필요한 전압을 크게 낮출 수 있다. 이로써 실리콘 반도체의 과다전력 소모와 발열 문제를 극복할 수 있게 됐다.
  또한 초고효율 광소자 개발이 탄력을 받을 전망이다. 그래핀/MoS2/그래핀 적층 구조는 p-n접합 다이오드 p형 반도체와 n형 반도체(각주 9번 참조)가 결합된 형태를 p-n접합이라 하고, 전극을 붙인 p-n접합을 p-n접합 다이오드라고 한다. p형 반도체 쪽에 (＋) 전원을, n형 반도체 쪽에 (－) 전원을 연결할 때 순방향 전압이 걸렸다고 말하며, 이때 다이오드를 통해 큰 전류가 흐른다. 발광 다이오드는 빛을 방출하는 p-n접합으로 시계, 전자장치, 자동차 계기판 외에도 디지털 화면에 많이 쓰인다.
가 아니어도 매우 높은 광전류가 생겼다. 각 그래핀과 MoS2 사이에 형성되는 에너지 장벽 전자가 존재할 수 없는 에너지영역이 높은 벽과 같은 형태를 이루어, 전자의 이동을 가로막는 장벽.
 크기의 차이로 전자의 터널링 장벽의 너비가 매우 작을 경우 전자가 장벽을 통과하는 양자역학적 현상. 높이가 낮을수록, 너비가 좁을수록 터널링이 더 잘 일어남.
 정도가 달라져 광전류가 발생하는 원리다.
  일반적인 광센서는 p형과 n형 반도체 반도체의 전기 전도현상을 지배하는 주된 운반체가 전자(electron)인 반도체를 n형 반도체, 정공(hole)인 반도체를 p형 반도체라 함.
를 수직으로 쌓아 다이오드로 제작한다. p-n접합 다이오드의 접합부위에 형성된 전기장은 빛으로 생긴 전자와 정공(홀)을 분리시켜 광전류를 발생시킨다. p-n접합 다이오드 구조 역시 일정 수준(14nm) 이상의 두께가 필요하다. 지금까지 원자 1~2개 높이(0.65nm)의 2차원 물질은 너무 얇아 수직방향 p-n접합 다이오드 구조 제작이 불가능해 광센서로 쓸 수 없다고 여겨졌다.
  연구진은 나노미터 두께의 초박막 반도체가 상용화되면 현재 반도체 시장 규모에 버금가는 경제적 효과가 있을 것으로 전망하고 있다. 유우종 교수는 “연구 성과가 상용화되면 2차원 소재 기반 기술 개발로 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구가 가속화 될 것”으로 내다봤다.

[붙임] 1. 연구결과 개요  2. 그림설명  3. 연구이야기  4. 연구진 이력사항

연 구 결 과 개 요

  
Unusually efficient photocurrent extraction in monolayer van der Waals heterostructure by tunneling through discretized barriers
유우종*, Quoc An Vu, 오혜민, 남홍기, Hailong Zhou,  차순영, 김주연, Alexandra Carvalho, 정문석, 최현용, Antonio H. Castro-Neto, 이영희*, and Xiangfeng Duan*
(Nature Communications, *교신저자)
 
  연구진은 그래핀/MoS2/그래핀 적층 반도체 구조를 트랜지스터(Nature Materials, 2013), 광센서(Nature Nanotechnology, 2013)에 각각 적용해 기존 소자 대비 효율을 높인 바 있다. 당시 소자는 MoS2를 여러 겹 쌓아 만들었다. 두께는 30nm로 실리콘 반도체 이상으로 두꺼웠으며, 광전류 발생 방식은 기존 p-n접합 다이오드와 유사했다.
  1장의 MoS2(0.65nm)는 매우 얇아 기존 p-n접합 다이오드의 광전류 생성 방식이 적용되지 않는다. 연구진은 이 경우 광전류 발생에 어떤 변화가 있는지에 대한 의문에서 실험을 시작하게 됐다.
  실험 전, 광 흡수율이 높은 여러 장의 MoS2는 광 흡수율이 낮은 1장의 MoS2 보다 높은 광전류를 보이리라 예상됐다. 하지만 실제로는 각 1장으로 이루어진 그래핀/MoS2/그래핀 적층 반도체는 p-n접합 다이오드 구조가 아님에도 매우 높은 광전류를 생성했다. 특히, 1장의 MoS2(광흡수율 3%)는 7장의 MoS2(광흡수율 12%)보다 7배 높은 광전류가 흘렀다.
  기존 p-n접합 다이오드는 접합부위에 생기는 전기장이 빛에 의해 생긴 전자와 홀을 분리해 광전류가 생긴다. 반면 그래핀/MoS2/그래핀 적층 반도체 광센서는 각 그래핀 층과 MoS2 층 사이에 형성되는 에너지 장벽 크기 차이로 전자 터널링 정도가 달라져 광전류가 발생한다. 연구진은 이로써 새로운 양자역학적 방식으로 광전류가 발생함을 발견했다. 또한 에너지 장벽의 크기는 전극으로 사용한 각 그래핀의 도핑 정도에 따라 변하고, 기존 p-n접합 다이오드가 반도체에 직접 도핑을 하던 것과 차이를 보임을 찾아냈다.
 

 
그   림   설   명

 
그림 1. (a)그래핀(GrB, 0.34nm), 이황화몰리브덴(MoS2, 0.65nm), 그래핀(GrT, 0.34nm)을 적층해 제작한 반도체 광센서의 이미지 (b)실제 제작한 초박만 반도체 광센서의 현미경 이미지 (c)측정된 광전류 이미지. 그래핀/MoS2/그래핀이 겹쳐진 중앙부분에서 매우 높은 광전류가 확인됨.

그림 2. 그래핀-MoS2 적층 반도체 광센서의 에너지 밴드 다이어그램 이미지. 각 그래핀과 MoS2 사이에 에너지 장벽이 생성 되고, 그래핀의 도핑 정도에 따라 각 에너지 장벽의 크기가 변한다. MoS2에서 빛에 의해 생성된 전자가 에너지 장벽이 낮은쪽으로 터널링해 이동하며 광전류가 생성된다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

  연구진은 그래핀/MoS2/그래핀 구조를 트랜지스터(Nature Materials, 2013) 및 광센서(Nature Nanotechnology, 2013)에 적용해 기존 소자 대비 효율을 높였다. 그러나 이때 사용한 MoS2는 여러 겹으로 쌓아 만들어 30nm 이상의 두께였고, 기존 p-n접합 다이오드와 비슷한 방식으로 광전류가 발생했다. 두께가 매우 얇은 1장의 MoS2(0.65nm)를 사용할 경우 기존 p-n접합 다이오드의 광전류 생성 방식이 적용되지 않는데, 이 경우 광전류에 어떤 변화가 나타날지에 대한 의문에서 실험을 시작하게 됐다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

  2013년 유우종 교수는 성균관대에 부임한지 6개월밖에 안 돼, 같이 연구를 수행할 학생도 배정되지 않고 실험장비도 없는 상태였다. 그래서 광센서 소자는 나노구조물리 연구단의 학생의 도움을 받아 제작했고, 광센서 측정은 유우종 교수가 박사후 연구원을 지낸 미국 UCLA 시앙펑 두안 교수 연구실에 방문해 진행했다. 실험결과 예상과 다르게 1장의 MoS2에서 여러장의 MoS2보다 훨씬 높은 광전류가 흐름을 발견했다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면? 어떻게 극복(해결)했는지?

  각각 1장으로 이루어진 그래핀-MoS2 적층 반도체에서 매우 높은 광전류 현상을 발견했으나, 이를 설명할 수 있는 광전류 발생 이론이 없었다. 그래서 새로운 모델을 고민하고 정립하는 데 2년의 시간이 걸렸고, 실험을 시작한지 3년이 지난 2016년 논문을 게재할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

  p-n접합 다이오드 구조를 만들기 위해서는 일정수준(14nm) 이상의 두께가 필요하다. 반면 이번 연구성과는 원자 1~2개 높이의 2차원 물질인 그래핀/MoS2/그래핀을 적층한 반도체 소자는 두께가 1.3nm급으로 기존 실리콘 반도체의 10분의 1 수준으로 두께를 줄였다는데 의의가 있다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

  지난 9월 터널링 메모리(TRAM, Nature communications, 2016)를 세계 최초로 구현했고, 이를 시냅스(세포와 세포사이 신호전달 및 기억 저장 기관)로 사용해 뇌세포의 신호전송 방식을 그대로 모방한(뉴로몰픽) 시스템을 연구 중에 있다. 이 실험과 연계해 이번에 개발된 광센서를 시각세포로 활용하고 터널링 메모리를 시냅스로 활용해, 사람 눈과 뇌의 연동을 모사해 구현할 예정이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

  2014년, 이번에 개발한 광센서에 기존 p-n다이오드 광전류 생성 방식을 억지로 끼워 맞춰 논문을 제출했다. 논문 심사자들은 매우 얇은 광센서에 p-n다이오드의 이론을 적용하는 것은 불가하다며 출판을 거절했다. 이런 일이 생긴 후 2년에 걸쳐 새로운 양자역학적 광전류 생성 이론을 만들게 됐고, 최종적으로 nature communications에 출판 할 수 있었다.

연구진 이력사항

< 유우종 교수, 교신저자 겸 제 1저자 >

1. 인적사항
 ○ 소    속 : 성균관대학교 전자전기공학부 교수
 

 
2. 경력사항 
 2011 - 2013 미국 캘리포니아 주립대 (Los Angeles), 박사후 연구원
 2013 - 현재 성균관대학교 전자전기공학부, 조교수

3. 전문 분야 정보
 2014 한국연구재단 기초연구우수성과 50선 선정

< 이영희 IBS 나노구조물리 연구단 단장, 교신저자 >

1. 인적사항
 ○ 소    속 : 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단    성균관대학교 물리학과, 에너지과학과 교수
 

 
2. 경력사항 
 1989 - 1990 미국 에임스 국립 연구소, 방문연구원
 1993 - 1993 스위스 취리히 IBM 연구소, 방문연구원
 1996 - 1997 미국 미시간 주립대학교, 객원연구원
 1987 - 2001 전북대학교 물리학과, 전임강사 - 교수
 2001 - 현 재 성균관대학교 물리학과(학부), 교수
 2008 - 현 재 성균관대학교 에너지과학과, 교수
 2012 - 현 재 IBS 나노구조물리 연구단 연구단장

3. 전문 분야 정보
 2005 한국물리학회 학술상 수상
 2005 교육인적자원부 국가석학 선정
 2006 과기부 되고 싶고 닮고 싶은 과학기술자 선정
 2009 대통령 표창
 2014 삼양사 수당재단 제23회 수당상 수상(기초과학부문)