기초과학연구원 원자제어저차원전자계연구단 조문호 부연구장단 연구팀이 2차원 반도체에 빛을 쪼이면 스스로 도핑이 되는 '레이저 도핑' 기술을 개발했다고 합니다. 수초 간 레이저를 조사하는 것만으로도 도핑을 할 수 있어 쉽고 경제적인 기술이라고 합니다. 또한, 연구진은 2차원 반도체 단일 직접 회로를 구현하는데도 성공했다고 하는데요.
도핑은 순수 반도체에 불순물을 주입해 성능을 향상시키기 위한 공정을 말합니다. 일반적으로 전자가 많은 n형 반도체와 정공(hole)이 많은 p형 반도체의 형태로 도핑됩니다. 정공은 반도체 재료 내 전자가 높은 에너지 상태로 들뜰 때 생기는 전자의 빈자리로 양의 전하를 띠는 가상의 입자를 뜻합니다.
차세대 반도체 후보로 주목받는 원자층 2차원 반도체는 둘둘 말리는 전자기기, 사물인터넷(loT) 전자부품, 극초소형 컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 소재입니다. 그동안의 기술적 난제는 고성능 회로를 만들기 위한 도핑 기술이 아직 없다는 점이었습니다.
도핑은 전자기기 제작에 필수적입니다. 상용화된 전자기기는 액체나 기체 상태의 이온을 주입해 도핑합니다. 그런데 원자 두께로 얇은 2차원 반도체에 불순물을 주입할 경우 깨질 가능성이 있고 농도를 섬세하게 조절하기 어렵다는 한계가 있습니다.
연구팀은 인위적인 불순물을 주입하지 않고도 가시광선 조사를 통해 원자층 2차원 반도체 트랜지스터 소자의 p-형 도핑에 성공했다고 합니다. 주사터널링현미경(STM)으로 반도체를 관찰하며 전자가 많은 형태의 n-형 반도체에 초록색(파장 532nm) 레이저 빛을 수 초간 조사했습니다.
레이저가 조사된 반도체 표면과 내부에는 국소적인 원자결함이 생기고 이후 결함이 생긴 공간으로 공기중의 산소로부터 정공이 주입되며 최종적으로 정공이 많은 p-형으로 도핑됐습니다.
연구팀은 빛의 세기와 조사 시간을 조절해 도핑 농도를 제어하는데도 성공했는데요. 정공의 농도에 따라 반도체 소자의 전기전도도는 최대 10만배까지 높아졌습니다. 이번에 개발된 레이저 도핑 공정은 대기 중에서 수초 내에 빠르고 대면적 도핑이 가능하기 때문에 기존 도핑기술에 비해 쉽고 경제적이며, 직접 회로 상용화 기술에 곧바로 응용될 수 있다는 장점이 있습니다.
연구팀은 개발한 도핑 공정을 이용해 다양한 2차원 반도체 회로를 제작하는데도 성공했다고 하는데요. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2) 화합물에 레이저 도핑을 접목해 2차원 양극성 접합 트랜지스터, 2차원 광전압 변환기 등을 구현했습니다. 참고로 양극성 접합 트랜지스터는 2개의 p-n 접합구조의 결합으로 구성되는 트랜지스터로 이미터, 베이스, 컬렉터 세 전극으로 구성되며 스위치 또는 전류 증폭장치로 사용된다고 합니다.
조문호 부연구단장은 "반도체 물질과 빛의 상호작용에 대한 기초과학 연구가 차세대 반도체 회로 응용 기술로 바로 환원됐다는 데 의의가 있다"며 "이러한 기초과학-응용기술 순환 일체형 연구는 미래 기술 개발에 있어 새로운 가치 창출 방식의 핵심이 될 수 있다"고 밝혔습니다. 이번 연구는 전자 소자 분야의 세계적인 학술지인 <네이처 일렉트로닉스>에 게재됐습니다.
