국내 연구진이 그래핀(graphene)이나 이황화몰리브덴(MoS₂) 같은 2차원 반도체 물질이 강한 전기장에 노출됐을 때 전류가 갑자기 증폭되는 현상의 원인을 밝혀냈다.

30일 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대 물리천문학부 이탁희 교수팀과 함께 강한 전기장 아래 이황화몰리브덴에서 나타나는 임계전압 후 전류증폭의 원인이 '전자사태 항복'(avalanche breakdown)임을 규명했다고 밝혔다.

2차원 소재인 그래핀이나 이황화몰리브덴은 투명성과 높은 전하 이동속도 등 물리·화학적 특성이 우수한 데다 박막화가 쉽고 잘 휘어져 차세대 초박막 웨어러블 반도체 소재로 주목받고 있다.

▲ (a) 채널 길이에 따른 애벌런시 현상 (b) 애벌런시 현상 설명을 위한 밴드다이어그램 (c) MoS2 두께에 따른 임계전기장(ECR) (d) 충격이온화율 (Impact Ionization Rate)

그러나 소자가 마이크로미터(㎛=100만분의 1ｍ) 이하로 작아지면 반도체층이 강한 전기장 환경에 노출됐을 때 내부 전류가 갑자기 높아지는 전류증폭 현상으로 소자가 제대로 작동하지 않는 문제가 발생, 반도체 소자로 응용하는 데 한계가 있었으며 이런 문제의 원인도 밝혀지지 않았다.

연구진은 이 연구에서 실험을 통해 이런 현상의 가장 큰 원인이 기존에 보고됐던 2차원 반도체의 접촉영역에서 발생하는 열 문제가 아니라 강한 전기장에 의한 반도체 내부의 전기적 특성 변화로 저항이 현저히 작아지는 '전자사태 항복' 현상임을 밝혀냈다.

특히 연구진은 전류증폭의 임계전압이 2차원 반도체의 두께에 따라 변화한다는 것을 규명했다. 반도체 두께가 두꺼울 때는 임계전압이 낮아지고, 두께가 얇을 때는 임계전압이 높아진다는 것이다. 반도체 두께 조절로 전류증폭을 조절할 수 있음을 시사하는 결과다.

이 연구는 2차원 초박막 반도체소자의 안정적 구동에 대한 핵심정보를 제공, 앞으로 2차원 반도체 분야에 다양한 응용 연구 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다.

정승준 박사는 "이 연구는 점점 작아지는 2차원 반도체의 소자 크기로 인해 발생할 수 있는 물리적 현상과 전기적 특성 변화에 대한 이해도를 높였다는 데 의미가 있다"며 "향후 초박막 2차원 반도체·전자재료 기반 차세대 웨어러블 응용소자 구현에 핵심기반이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

KIST 기관 고유사업과 한국연구재단 창의연구단 과제로 수행된 이 연구결과는 국제학술지 'ACS 나노'(ACS Nano)에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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