기초과학연구원(IBS)이 원자제어 저차원 전자계 연구단 조문호 부연구단장 연구팀이 2차원 반도체를 빛만으로 도핑하는 데 성공했다.

2차원 반도체는 원자 여러 개 두께의 얇은 반도체로, 얇고 유연한 전자기기를 구현할 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다.

하지만 상용화하기 위해서는 실리콘 반도체처럼 내부 불순물 종류와 농도를 자유롭게 조절할 수 있어야 한다.

▲ 2차원 카멜레온 반도체 도핑 과정.

도핑은 반도체에 불순물을 첨가해 성능을 높이기 위한 공정이다.

주입 불순물에 따라 전자가 많은 n형 반도체와 정공이 많은 p형 반도체로 나뉜다.

n형과 p형을 접합시켜야 트랜지스터가 돼 단일 집적 회로를 구현할 수 있는데, 주로 화합물을 이용한 도핑 방식이 쓰인다.

하지만 n·p형 도핑에 각각 다른 처리가 필요하고 도핑 후에는 성질을 바꿀 수 없는 한계가 있다.

연구팀은 2차원 반도체가 빛의 세기와 파장에 따라 화학적 변화를 일으키면서 서로 다른 파장의 빛에서 도핑이 가능함을 발견했다.

원자 수준의 분해능을 갖는 투과전자현미경과 주사터널링현미경을 이용해 2차원 반도체 '이텔루륨화몰리브덴'을 관찰한 결과, 강한 에너지의 자외선이 텔루륨-몰리브덴 간 원자 결합을 끊으면서 전자가 더 많아지게 돼 n형 반도체로 변하는 것이 확인됐다.

가시광선의 경우 텔루륨 원자가 있던 자리를 산소로 치환해 정공이 더 많아지면서 p형 반도체로 변했다.

이텔루륨화몰리브덴뿐만 아니라 이셀레늄화텅스텐 등 다른 2차원 반도체에서도 빛에 의한 도핑 현상이 나타났다.

연구팀은 이를 이용, 빛을 이용해 기능을 자유자재로 바꿀 수 있는 원자층 집적회로 소자를 구현해 냈다.

2차원 반도체에 레이저를 쪼여 n형과 p형 반도체 기반 '인버터'(입력과 반대되는 출력을 내는 회로)를 만든 뒤 인버터에 다시 빛을 가하면 정반대 기능을 갖는 부품인 '스위치'(입력과 동일한 출력을 내는 회로)로 바꿀 수 있음을 보였다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 지난 15일자 '네이처 일렉트로닉스'(Nature Electronics)에 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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