(왼쪽부터)국립창원대 안종태 교수, KIST 황도경 박사, 박수형 박사.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교는 안종태 교수(반도체물리학과)가 2차원 반도체 물질인 MoTe2의 산소 도핑을 통해 전계 효과 트랜지스터(FET)의 극성 조절 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 연구의 결과는 ‘Reversible Polarity Control in 2D MoTe2 Field-Effect Transistors for Complementary Logic Gate Applications’라는 제목으로 응용 물리 분야의 국제 저명 학술지 ‘Advanced Functional Materials(IF: 18.5, JCR 상위 4.7%, Applied Physics 분야 9/179)’에 이달 게재됐다.

안종태 교수에 따르면 2차원 반도체 물질은 기존의 Si과 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 이러한 얇은 두께로 인해 기존의 이온 주입 방식으로는 도핑이 어려워 반도체-금속 접촉 저항, 문턱 전압 조절, n형과 p형 극성 전환 등의 문제를 해결하는 데 어려움이 있다.

연구팀은 양극성(ambipolar) 특성을 지닌 MoTe2 소자의 열처리 조건에 따라 p형 특성이 변한다는 점에 주목해 열처리 환경을 산소가 풍부한 상태와 진공 상태로 나눠 진행했다. 그 결과 광전자 방출 분광법(photoemission spectroscopy)과 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 통해 열처리 조건에 따라 p형 또는 n형 특성이 가역적으로 변화한다는 사실을 확인했고 이는 MoTe2 표면에서 산소의 물리적 흡착 및 제거에 기인함을 밝혀냈다.

이와 함께 연구팀은 MoTe2의 산소 도핑뿐만 아니라 소자의 구조가 전자와 홀의 주입 메커니즘에 미치는 영향을 분석하기 위해 bottom gate/bottom contact, bottom gate/top contact 등 다양한 소자 구조에서의 전류-전압 특성을 분석했다. 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 전자소자로의 활용 가능성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

해당 연구는 국립창원대 안종태 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 양자기술연구단 황도경 박사, 특성분석센터 박수형 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 이뤄졌으며 국립창원대 ‘생애 첫 연구비 지원 사업’의 지원을 받아 수행됐다.