Center for Relativistic Laser Science

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 실리콘처럼 흔한 물질인 흑린(黑燐. black phosphorus)을 이용해 새로운 2차원 반도체 소자를 구현하고 흑린이 2차원 반도체 소재 중 전자이동도가 가장 크다는 사실도 밝혀냈다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 나노구조물리연구단(단장 이영희) 연구진이 성균관대와 함께 흑린의 두께를 조절하고 물성을 제어하는 데 성공, 고성능 N형(전자 제어) 반도체와 N-P 접합형 반도체를 구현할 수 있음을 증명했다고 밝혔다.

이 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications, 7월 30일자) 온라인판에 게재됐다.

알루미늄을 접합금속으로 사용해 흑린 박막의 두께와 물성을 제어, 흑린에서 N형 운반자를 가질 수 있음을 증명했다. 두께가 두꺼워지면 에너지갭이 줄어들어 n형/p형 양쪽성 운반자를 모두 가진 반도체 특성을 보인다. 그래프를 통해 전자이동도 1천㎠/Vs을 달성, 기존의 실리콘 반도체의 성능을 능가함을 확인할 수 있다.

흑린은 인(P) 원소로 구성된 검은색의 2차원 물질로 그래핀처럼 2차원 층 구조를 이루고 있으며 두께 역시 원자 한 개 층 수준이다.

흑린을 박막으로 변환해 2차원 반도체 소재로 활용하려는 연구가 진행돼 왔지만 흑린은 공기와 반응하는 속도가 매우 빠르고 성질이 불안정해 반도체 성질을 갖도록 제어하기 어려워 큰 성과를 거두지 못했다.

연구진은 이 연구에서 알루미늄을 접합금속으로 사용해 흑린의 두께를 조절하고 물성을 제어하는 데 성공했으며 이를 통해 고성능 N형(전자 제어) 반도체를 만들었다.

또 흑린의 박막 두께가 두꺼워지면 N형뿐만 아니라 정공(hole) 제어도 가능한 N-P 접합형 반도체를 구현할 수 있음을 증명했다.

연구진은 이는 같은 접합금속을 사용해도 흑린의 두께를 제어함으로써 N형과 P형 운반자를 동시에 갖는 반도체 박막으로 사용할 수 있음을 처음으로 증명한 것이라고 설명했다.

연구진은 또 이렇게 만든 2차원 흑린 반도체는 전자이동도가 1천㎠/Vs로 기존 실리콘 반도체보다 훨씬 빠른 것으로 확인됐다고 밝혔다.

이영희 단장은 "이 연구는 실리콘처럼 흔한 물질인 흑린을 새로운 2차원 나노물질 박막소재로 쓸 수 있음을 보여준다"면서 "2차원 소자는 공학적으로 많은 산업화 가능성 테스트가 선행돼야 하는 만큼 실용화에 10년 정도가 소요일 것으로 보이며 대면적 합성 기술 개발이 실용화의 관건이 될 것"이라고 말했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장(성균관대 물리학과.에너지과학과 교수)

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