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신소재 적층구조로 세계에서 가장 얇은 반도체 소자 실현 가능성 입증

연세대학교와 미국 콜럼비아 대학교 연구진이 꿈의 2차원 신소재 적층을 통하여, 세계에서 가장 얇

(원자층 두께) 반도체에서 최고 속도의 전하 이동과 양자수송현상*을 최초로 관측하였다. 동 성

과로 고성능·저전력·초스피드 양자소자초박형(Ultra-thin) 반도체의 실현 가능성을 입증하여,

향후 반도체와 정보통신기술(ICT) 산업경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다.

 

* 양자수송현상 (quantum transport) : 전자, 광자 등 파동특성을 보이는 양자가 물질 내에서 이동할 때 자기장과

같은 외부인자와 상호작용하여 양자진동이나 양자-홀 효과 등을 보이는 양자역학적 물리 현상

    

연세대학교 이관형 교수(1저자/교신저자)가 주도하고, 미국 콜럼비아 대학교 제임스 혼 교수 연구팀과

고려대학교 이철호 교수의 공동 연구로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부의 기초연구지원사업(

진연구자지원)과 연세미래선도연구사업의 지원으로 수행되었고, 나노과학 분야의 세계적 국제학술

지인 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)”427 온라인 판으로 게재되었다.

(논문명 : Multi-terminal transport measurements of MoS2 using a van der Waals

heterostructure device platform)

 

연구진은 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 이황화몰리브덴*그래핀, 유전체인

화붕소(hBN)를 층층이 쌓는 방식으로 수개의 원자 층 두께로 얇고 매끄러운 계면을 가지는 신개

념 소자구조를 개발하여, 최고 전하 이동도를 측정하고 2차원 반도체의 양자수송현상을 관측

는 데 세계 최초로 성공하였다.

 

* 이황화몰리브덴 : 그래핀과 유사하게 층상구조를 가지고 있지만 그래핀과 달리 중간의 몰리브덴과 양쪽의 황

원층에 의해 샌드위치 구조로 밴드갭의 반도체 특성을 보임

 

기존 연구에서 이황화몰리브덴 소자는 높은 전극 저항과 무질서한 이종계면 형성의 문제로,

론치보다 훨씬 낮은 전하이동도를 보였다. 이렇듯 기존 소자의 구조적 한계로 이황화몰리브덴 본

연의 성능을 발휘하는 데에 큰 한계가 있었다.

 

 연구진은 신개념 소자 적층 구조를 개발하여, 이종 물질 사이에서 아주 깨끗한 계면을 만듦으로써

이론적으로만 예상하였던 이황화몰리브덴의 최고 전하 이동도(34,000/Vs)를 처음으로 관측하였다.

 

아울러 극저온 상태의 자기장 내에서 이동하는 전하와 자기장의 상호작용 현상을 측정하여, 이황화

몰리브덴에서 일어나는 양자진동과 양자-홀 현상(양자수송현상)을 세계 최초로 관측하였다.

존에 고품질 반도체 혹은 그래핀에서만 관측되었던 현상을 2차원 반도체에서 최초로 확인함으

로써, 양자수송을 활용한 신개념 2차원 반도체 소자 구현의 가능성을 열었다.

 

동 성과는 기존에 차세대 반도체 소자로 개발된 탄소와 질소 기반 벤젠고리 6각형 결정구조체(C2N-h2D

크리스털) 보다 상온에서는 10, 저온에서는 100배 이상의 전류량(점멸비)과 전하 이동도를 보인다.

 

이관형 교수는 차세대 반도체로 주목받고 있었으나 그 활용 가능성이 입증되지 못했던 이황화몰리브덴

의 빠른 전하 이동과 양자수송 현상을 입증함으로써, 향후 세계에서 가장 얇은 반도체를 활용한

차세대 반도체 소자 개발 및 정보통신기술(ICT) 산업 발전의 초석이 될 것으로 기대한다.”

고 의의를 밝혔다.


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편집국 편집장 (2006fksm@hanmail.net) [기자의 다른 기사보기]
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