국내 연구진이 자기조립 단분자막^*을 2차원 나노반도체에 가볍게 증착하는 간단한 p형 도핑^**기술을 개발해 2차원 전자소자(p형 트랜지스터)의 성능을 최고 수준(이동도는 초당 최대 250㎠로 세계 최고)으로 향상시켰다. 이 기술은 센서나 태양전지와 같은 다양한 2차원 전자소자나 광전소자를 제어하고 최적화하는데 적극 활용될 것으로 기대된다. 

성균관대 박진홍 교수(교신저자)가 주도하고, 강동호 박사과정연구원(제1저자)과 성균나노과학기술원 이성주 교수가 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진연구자 및 중견연구자)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노 과학기술분야 권위지인 ACS Nano 온라인판(1월 28일자)에 게재되었다.

      

반도체에 불순물을 도핑하면 반도체 속의 전자와 정공의 농도를 조절할 수 있어 반도체의 성능을 높일 수 있는데, 이 때 불순물의 종류와 농도를 조절하는 것이 소자를 최적화하는 관건이다.

 

그러나 불순물의 농도를 미세하게 조절할 수 있는 기존의 공정(이온을 주입하는 도핑기술)은 물리적인 힘을 이용하기 때문에 반도체의 결정성을 깨뜨릴 수 있어 1나노미터(10억분의 1미터) 이하의 얇은 2차원 나노반도체에 사용하는데 한계가 있었다.

 

또한, 기존의 기술들은 ㎠(제곱 센티미터) 면적당 1조 개(10의 12승) 이상의 농도로 도핑되어 성능을 극대화하기 어려웠다. 도핑의 농도가 너무 높으면 반도체의 특성이 금속과 비슷해져 전자소자나 광전소자 등을 구현할 수 없게 된다.

 

연구팀은 양전하를 띠는 자기조립 단분자막(OTS)을 선택해 증착한 후 아래에 놓인 반도체의 전자를 끌어당겨 전자의 농도를 조절하는 원리를 이용해 ㎠ 면적당 천억 개(10의 11승) 이하로 정공 농도를 조절하였다.

 

이것은 기존의 ㎠ 면적당 1조 개(10의 12승) 이상의 농도로 도핑했던 것에 비해 정밀도 조절이 크게 향상되었다. 또한 대기 중에 오랜 시간(60시간)이 지나도 성능 저하(전자소자를 작동하는 최소전압이 약 18~34%로, 기존 기술은 70%에 달함)가 적고, 가열하면 저하된 도핑 성능이 다시 회복되는 특징을 보였다.

박진홍 교수는 “간단하게 2차원 소자의 성능을 제어하고 최적화하는 도핑기술 개발로, 차세대 2차원 나노반도체 소자 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다.

2차원 나노반도체(MoS₂ 및 WSe₂)는 두께가 종이처럼 얇으면서 뛰어난 전기적, 광학적 특성을 지녀, 유연 소재 및 투명 소재에 적용 가능한 차세대 물질로서 각광받고 있다.

한편, 2차원 나노반도체 도핑기술의 경우, 결정 구조에 손상을 입히는 이온 주입(ion implantation)을 이용한 도핑기술을 적용하지 못하기 때문에 도핑 농도를 낮은 수준에서 조절하는데 어려움을 겪고 있다. 또한, 기존에 보고되었던 2차원 나노반도체 도핑기술들은 대부분 1012cm^-2 이상의 높은 수준에서 농도가 조절되어 2차원 나노반도체 기반 전자/광전소자의 성능 제어 및 최적화 과정에 적용되는데 한계가 있었다. 특히, 대부분의 2차원 나노반도체 도핑기술에 대한 연구는 n-형 특성을 갖는 MoS₂에서 이루어졌으며, 상대적으로 p-형 특성을 갖는 WSe₂에 관련된 도핑 연구는 부족한 실정이다. 

본 연구팀은 자기조립 단분자막 분자 중 하나인 Octadecyltrichlorosilane(OTS)을 이용하여, 기존 2차원 나노반도체에서 성취하기 어려웠던 10¹⁰cm^-2 ~ 10¹¹cm^-2 수준의 농도 조절이 가능한 새로운 도핑기술을 개발하였고 이를 2차원 나노반도체 중 p-형 특성을 갖는 WSe₂ 기반 전자소자에 적용하여 도핑을 통한 성능 제어 및 최적화 가능성을 확인하였다. 특히 2차원 트랜지스터의 성능을 나타내는 이동도를 세계 최고 수준인 ~250cm²/sec까지 향상시켰다.

본 연구에서는 p-형 특성을 갖는 WSe₂를 이용하여 전자소자(p-형 트랜지스터)를 제작하고, 이를 OTS 용액에 담그는 간단한 p-형 도핑기술을 개발하였다. 특히 OTS의 농도를 조절함으로써, WSe₂ 내 정공의 농도를 2.1×1011 cm^-2 와 5.2×1011 cm^-2사이에서 정밀하게 조절하였다.

개발된 p-형 도핑기술은 자기조립 단분자막 분자 중 하나인 OTS의 메틸기(-CH₃) 그룹에 의한 양극성이 2차원 나노반도체에 존재하는 전자를 끌어당겨 전자의 농도를 조절하는 원리이다.

또한 이 도핑기술은 2차원 나노반도체 기반 전자/광전소자에 적용되어 도핑을 통한 성능 제어 및 최적화 가능성을 확인하였다. 도핑농도가 증가함에 따라 전자소자의 특성인 문턱전압, 전류, 이동도가 증가하였고, 광전소자의 광응답 및 광검출 능력은 감소하였다. 추가로 이 도핑기술은 다른 도핑기술에 비해 지속성이 뛰어나며(60시간 후 문턱전압이 약 18~34% 정도만 감소함), 가열을 통해 저하된 도핑 성능이 다시 회복되는 것이 확인되었다. 

이번 연구를 통해 개발된 1010cm^-2 수준에서 조절 가능한 2차원 나노반도체 도핑기술은 소자 성능의 제어 및 최적화에 활용될 수 있어 차세대 2차원 나노반도체 소자 분야의 발전에 기여할 것으로 보인다. 특히 대기 중에서 오랜 시간이 지나도 성능 저하가 적으며, 열처리를 통해 도핑 특성이 바로 회복되어 다양한 공정에 유연하게 적용될 수 있을 것으로 생각된다.

2차원 나노반도체 도핑기술은 대부분 n-형 이황화몰리브덴에서 1012cm^-2 이상의 높은 수준에서 농도가 조절되어 2차원 전자/광전소자의 성능 제어 및 최적화 과정에 적용되는데 한계가 있었다. 

이번 연구에서는 p-형 이셀레늄화텅스텐에서 1010cm^-2 수준에서 농도를 조절할 수 있는 간단한 도핑기술을 개발하였다. 뿐만 아니라 개발된 도핑기술을 2차원 전자/광전소자에 적용하여 도핑을 통한 성능제어 및 최적화 가능성을 확인하였고 2차원 트랜지스터의 성능을 나타내는 이동도를 세계 최고 수준인 ~250cm²/sec까지 향상시켰다.

모든 2차원 나노반도체에 적용이 가능한 범용적인 기술로 판단된다.

안정성이 다른 도핑기술에 비해 좋은 편이나 여전히 공기 중에서 도핑농도가 변하는 현상이 있기 때문에 공기를 차단하는 차단막 그리고 이에 의한 도핑기술의 안정성에 대한 연구가 추가로 필요하다.

사물인터넷용 저전력 소자 구현을 위한 2차원 소재 기반의 저전력 소자 연구를 지난 3년간 하고 있었으며 소자의 성능 제어 및 최적화 관점에서 도핑기술이 필요하기 때문에 연구를 시작하게 되었다.

2차원 나노반도체 소자에 관한 연구는 아직 초기단계에 있기 때문에 연구를 꾸준히 수행하여 관련 기술의 실용화 가능성을 높이는 기술적 기여를 하고자 한다.

  . 미국화학회(America Chemical Society)가 매월 발행하는 나노분야 국제권위지  

  . WSe₂는 TMD(Transition Metal Dichalcogenide)에 포함되는 물질로 주기율표에서 전이금속에 해당하는 텅스텐(W)이 가운데 있고, 칼코게나이드(chalcogenide)  물질인 셀레늄(Se)이 위 아래로 결합되어 층상구조를 이루고 있음.

  . 원자 두께 크기만큼 얇아 2차원 나노반도체 물질로 각광받고 있음. 특히 단일 층으로 박리되면 직접형 밴드갭(Dirac bandgap) 특성을 갖게 되어 전기적 특성뿐만 아니라 우수한 광학적 특성도 갖게 됨.

  . 문턱전압은 전계 효과 트랜지스터 (FET)와 같은 전자소자를 동작시키기 위한 최소전압을 의미함.

  . 전계가 소자에 가해졌을 때에 정공 혹은 전자가 이동하게 되는데 이동도는 그 움직임의 정도를 나타냄 (단위 전계 당 속도로 정의함).

  . 반도체 물질에 입사된 빛은 반도체 물질 내에서 정공 및 전자를 생성시키는데 이 정공/전자쌍을 가해진 전계에 따라 흐르게 하여 전류를 생성시키는 소자 (광신호를 전기신호로 변환해주는 소자로 정의할 수 있음).

  . 광전소자는 입사된 빛의 단위 세기 당 생성된 반송자(정공 및 전자)에 의해 흐르는 전류의 크기인 광응답(Photoresponsivity)과 암전류에 비해 증가한 광전류의 양을 검출하는 광검출(Detectivity)을 통해 특성을 평가할 수 있음.

(좌) 양극을 띄는 OTS가 WSe₂ 전자소자의 채널 영역에 붙으면, WSe₂의 에너지 띠에 영향을 주어 p-형 도핑효과를 일으킨다. 

(우) OTS의 농도를 조절하였을 때 WSe₂ 전자소자의 도핑 농도가 조절되는 것을 확인하였으며, 결과적으로 WSe₂ 전자소자의 특성인 문턱전압 및 전류, 이동도가 증가하였다. 

* WSe₂(이셀레늄화텅스텐)