이상욱 교수팀, 듀얼 게이트를 이용한 새로운 형태의 2차원 트랜지스터 소자 개발
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- 등록일2021.07.27
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2차 물질 응용 소자 연구의 새로운 가능성 열어
관련 연구 성과 JCR 재료 분야 세계적 학술지 <Advanced Functional Materials> 게재
이상욱 교수
물리학과 이상욱 교수 연구팀이 하나의 물질에서 전류의 흐름을 상하로 분리 또는 결합하여 작동할 수 있는 새로운 형태의 2차원 기반 트랜지스터를 개발하였다. 이번 연구 결과는 2021년 기준 인용지수(IF) 18.808을 기록한 재료 분야 권위 학술지 <Advanced Functional Materials>에 6월 2일(수) 게재됐다.
러시아 물리학자 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프가 흑연으로부터 원자 한 층으로 이루어진 2차원 물질 그래핀(graphene)을 발견해 노벨 물리학상을 수상한 이래, 이에 대한 다양한 양자 물성 연구와 응용 소자 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2차원 물질이란 나노미터(㎚) 단위의 작은 원자가 한 겹으로 배열돼 있는 물질로, 2차원 평면에서는 전하가 비교적 자유롭게 이동할 수 있는 반면 물질의 전자 구조에 따라 2차원 평면 층간으로는 전하의 이동 정도가 달라질 수 있다고 알려져 있다.
본 연구팀은 단일층 전이금속 칼코겐화합물의 일종인 이황화레늄(ReS2)을 이용해 2차원 물질에서 전류의 흐름을 상하로 분리하거나 결합시킬 수 있는 새로운 아이디어를 고안하고, 이를 실질적으로 구현해 큰 주목받고 있다.
(왼쪽 위) 이황화레늄 기반 듀얼 게이트 트랜지스터 소자의 현미경 이미지
(왼쪽 아래) 이황화레늄의 상·하층의 전류 흐름이 서로 독립적(붉은색) 또는 상호작용(파란색)을 하는 상황에 대한 모델링
(오른쪽) 듀얼 게이트의 전압 변화에 따른 이황화레늄 트랜지스터의 전류 흐름 비교 측정 결과
이황화레늄(ReS2)은 다른 2차원 물질과 비교하여 층간 결합(interlayer coupling)이 적다고 알려져 있다. 연구팀은 이황화레늄의 상하면에 각각 게이트 전극을 부착한 듀얼 게이트 트랜지스터 소자를 제작하고 상하층의 게이트를 제어하여 상층과 하층에 전류의 흐름이 각각 독립적으로 이루어지는 것을 확인했다. 특히, 2차원 질화 붕소를 상하층에 모두 게이트 절연층으로 사용하는 방법으로 트랜지스터의 성능을 높이고, 다양한 방법론을 통해 이 트랜지스터의 성능 최적화 분석을 진행했다. 그 결과 이황화레늄(ReS2)의 약한 층간 결합을 물리적으로 확인할 수 있었으며, 이러한 특성을 제어해 하나의 2차원 물질에서 두 개의 채널이 독립적으로, 또는 서로 상호작용(interaction)을 할 수 있도록 하는 새로운 개념의 트랜지스터 개발에 성공했다.
이상욱 교수는 “이번 연구 결과를 바탕으로 2차원 물질의 간격, 또는 적층 각도 등을 제어하여 층간 결합을 인위적으로 제어할 수 있는 시스템을 개발하는 아이디어를 얻을 수 있었다”며 “이를 통해 앞으로 2차원 물질의 새로운 양자 물성을 발현할 수 있는 시스템을 개발할 계획”이라 밝혔다.
이번 연구는 물리학과 및 신재생에너지 연구소에서 수행하고 있는 기초연구실 및 중점연구소 사업의 지원을 받아 본교 이상욱 교수(공동교신저자)와 본교 연구진, 유럽 최대 나노·반도체 기술 연구소인 IMEC 연구진(제1저자 이국진 박사) 및 고려대학교 연구진과 공동 연구를 통해 수행됐다. 본교 연구진 중 최준희 박사는 한국국방품질원 정규직 연구원으로, 신동훈 박사는 네델란드 델프트 공대 소자 카블리 연구소의 선도 연구원으로 각각 임용되며 본교의 우수한 연구 역량을 인정받고 있다.