국내 연구진이 자기조립 단분자막을 2차원 나노반도체에 가볍게 증착하는 간단한 p형 도핑기술을 개발해 2차원 전자소자의 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.
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 조절하는 과정에서 한계가 있어 연구팀은 종이처럼 매우 얇은 2차원 나노반도체의 결정성을 해치지 않고 농도를 조절할 수 있는 자기조립 단분자막으로 간단하게 기존 기술 대비 10배 낮은 농도의 p형 도핑기술을 개발했다. 연구팀은 양전하를 띠는 자기조립 단분자막(OTS)을 선택해 증착한 후 아래에 놓인 반도체의 전자를 끌어당겨 전자의 농도를 조절하는 원리를 이용해 ㎠ 면적당 천억개(10의 11승) 이하로 정공 농도를 조절했다.
이것은 기존의 ㎠ 면적당 1조개(10의 12승) 이상의 농도로 도핑했던 것에 비해 정밀도 조절이 크게 향상됐다. 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.
이번 연구를 통해 개발된 1010 cm-2수준에서 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.
임재덕 기자 (eled@hellot.net)
