한국표준과학연구원(표준연)은 양자기술연구소 정수용 책임연구원 연구팀이 에너지 손실을 최소화하면서 극한 환경에서 작동할 수 있는 고성능 2차원 다이오드를 개발했다고 밝혔다.

고효율·고성능 전자소자 핵심 물질로는 2차원 반도체가 꼽힌다. 관련 연구도 활발하다.

이중 두께가 원자층까지 얇아져도 반도체 성질을 유지하는 층상(layer) 반도체는 초박막 디스플레이나 초소형 전자기기 등에 쓰일 차세대 주자로 떠오르고 있다.

▲ 한국표준과학연구원 연구팀이 수직형 다이오드 전자수송 특성 측정을 준비하는 모습

2차원 층상 반도체를 이용한 다이오드(전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 소자)를 구현하기 위해 지금까지는 p형(플러스 전하)·n형(마이너스 전하) 반도체 결합을 주로 시도했다.

그런데 외부 환경변화에 직접 노출되는 2차원 물질 특성상, 구조가 다른 두 물질 접합은 다이오드 성능을 저해하는 치명적인 요인으로 작용했다.

정수용 책임연구원 연구팀의 성과는 이 지점에 있다.

기존 p형·n형 반도체 결합 방식에서 탈피해 2차원 반도체 물질 '이셀레늄화텅스텐' 만으로 수직형 다이오드를 구현하는 데 성공했기 때문이다.

연구팀은 도핑 현상을 이용해 이셀레늄화텅스텐 양 끝에 p형과 n형 특성을 유도해 냈다.

수직 다이오드 p 영역과 n 영역 사이에는 이셀레늄화텅스텐 본연의 성질을 지닌 절연층이 샌드위치처럼 들어가 있다.

소자 제작 시 이 절연층 길이, 즉 박막 두께를 조절하면 다양한 장점을 갖는 다이오드로 응용할 수 있다는 뜻이다.

실제 연구팀의 기술은 단일 면적당 전하수송 능력을 의미하는 전류밀도 측면에서 세계 최고 수준까지 끌어올릴 수 있다고 표준연 측은 설명했다.

정수용 책임연구원은 "소자 구성이 비교적 간단한 데다 다양한 이차원 물질에도 적용 가능한 플랫폼"이라며 "극한 환경에서 견딜 수 있는 초소형 소자에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

정 연구원은 이어 "에너지 손실을 최소화할 수 있어 태양전지나 광원 검출기 같은 미래 산업에서도 활용성이 높을 것으로 본다"고 덧붙였다.

연구 논문은 지난해 12월 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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