국립창원대학교는 반도체물리학과 안종태 교수가 2차원 반도체 물질인 MoTe2(몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체)의 산소 도핑을 통해 전계 효과 트랜지스터(FET)의 극성 조절 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 양자기술연구단 황도경 박사, 특성분석센터 박수형 박사 연구팀과 공동으로 진행했다.

안 교수에 따르면 2차원 반도체 물질은 기존의 Si(실리콘) 같은 3차원 반도체와는 달리 원자층 수준의 매우 얇은 두께를 지니고 있다.

이러한 얇은 두께로 인해 전자가 두께 방향에서 양자 구속 효과를 받아 3차원 반도체에서는 나타나지 않는 흥미로운 물리적 특성을 보여 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다.

그러나 얇은 두께로 인해 기존의 이온 주입 방식으로는 도핑이 어려워 반도체-금속 접촉 저항, 문턱 전압 조절, n형과 p형 극성 전환 등 문제를 해결하는 데 어려움이 있다.

이에 공동 연구팀은 양극성 특성을 지닌 MoTe2 소자의 열처리 조건에 따라 p형 특성이 변한다는 점에 주목해 열처리 환경을 산소가 풍부한 상태와 진공 상태로 나누어 진행했다.

그 결과 광전자 방출 분광법과 밀도 함수이론(DFT) 계산을 통해 열처리 조건에 따라 p형 또는 n형 특성이 가역적으로 변화한다는 사실을 확인했고, 이는 MoTe2 표면에서 산소의 물리적 흡착 및 제거에 기인한다는 것을 밝혀냈다.

연구팀은 MoTe2의 산소도핑뿐만 아니라 소자의 구조가 전자와 홀의 주입 메커니즘에 미치는 영향을 분석하기 위해 하부 게이트/하부 접촉, 하부 게이트/상부 접촉 등 다양한 소자 구조에서의 전류-전압 특성을 분석했고, 이를 통해 소자 구조가 극성 조절에 미치는 영향을 함께 규명했다.

단일 MoTe2 소자에서 n형과 p형 특성을 모두 구현할 수 있기 때문에 이를 바탕으로 CMOS, NAND, NOR 회로를 성공적으로 구현했으며, 이러한 결과는 차세대 전자 소자로의 활용 가능성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 국립창원대학교 ‘생애 첫 연구비 지원 사업’ 지원을 받아 수행됐다.

이 연구의 결과는 응용물리 분야 국제 저명 학술지 ‘Advanced Functional Materials(첨단 기능성 소재, IF: 18.5, JCR 상위 4.7%, Applied Physics 분야 9/179)’ 10월호에 'Reversible Polarity Control in 2D MoTe2 Field-Effect Transistors for Complementary Logic Gate Applications(상보 논리 게이트 응용을 위한 2차원 MoTe2 전계 효과 트랜지스터의 가역 극성 제어)' 제목으로 게재됐다.