'카멜레온 반도체' 개발.. 빛으로 도핑

빛으로 결함 제어해 2차원 반도체 도핑
파장 따라 가시광선에서는 p형, 자외선에서는 n형으로
2차원 '카멜레온 반도체' 구현

반도체 도핑 사진

[아시아경제 황준호 기자] 빛으로 2차원 반도체를 만들 수 있는 기술이 개발됐다. 유연한 전자기기, 초소형 컴퓨터 등을 상용하는데 기여할 핵심 기술이 될 수 있을 것으로 보인다.

기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단의 조문호 부연구단장의 연구팀은 2차원 반도체 물질을 서로 다른 파장의 빛을 이용해 도핑할 수 있음을 발견하고, 실시간 및 자유자재로 반도체 기능을 바꿀 수 있는 원자층 집적회로 소자를 구현했다. 관련 논문은 15일 국제 학술지인 네이터 일렉트로닉스에 실렸다.

빛으로 2차원 반도체 도핑

빛에 따라 기능을 바꾸는 2차원 반도체 실험

연구팀은 반도체 손상의 원인으로 지목되고 있는 빛을 활용해 2차원 반도체를 도핑하는 방법을 개발했다. 빛의 세기와 파장에 따라 다양한 화학적 변화를 줄 수 있다는 점에 착안한 것이다. 연구팀은 원자 수준 분해능을 갖는 투과전자현미경과 주사터널링현미경을 이용해 빛이 2차원 반도체 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2)에 미치는 여러 변화를 관찰했다.

이를 통해 연구팀은 자외선이 n형, 가시광선이 p형으로 2차원 반도체를 도핑함을 확인했다. 파장이 짧은 자외선은 강한 에너지를 가져 반도체의 텔루륨-몰리브덴 간 원자 결합을 끊었다. 이는 표면에 있는 몰리브덴 원자 일부를 탈락시키는데, 이 때문에 전자가 더 많아져 n형 반도체로 변하는 원리다. 반면 가시광선은 텔루륨 원자가 있던 자리를 산소로 치환함으로써 물질 전체에 양공이 많아졌다. 특히 연구팀은 이텔루륨화몰리브덴 뿐 아니라 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등 다른 2차원 반도체도 빛으로 도핑이 가능하다는 것을 확인했다.

빛으로 기능을 바꾸는 집적회로 구성

카멜레온 2차원 반도체 도핑 과정

연구팀은 이를 통해 기능을 바꿀 수 있는 집적회로 소자를 구현했다. 2차원 반도체에 레이저를 쏘아 n형과 p형 반도체로 만들어 논리회로의 대표 부품인 인버터를 제작했다. 이어 제작된 인버터에 다시 빛을 가해, 정반대 기능을 갖는 부품인 스위치로 바꿀 수 있음을 입증했다.

조문호 부연구단장은 "2차원 반도체 집적회로 구현에 필수적인 도핑 과정이 빛과 물질의 광화학반응으로 간단히 이해될 수 있음을 확인했"며 "이러한 기초과학-응용기술 순환 일체형 연구는 새로운 반도체 기술의 이상적인 예라고 할 수 있다"고 밝혔다.

한편 2차원 반도체는 얇고 유연한 전자기기, 극초소형 컴퓨터 등을 구현할 차세대 반도체다. 이를 구현하기 위해서는 실리콘 반도체처럼 내부 불순물 종류와 농도를 자유롭게 조절할 수 있어야 한다. 특히 이 반도체는 불순물 따라 전자가 많은 n형과 양공이 많은 p형으로 나뉘는데, n형과 p형을 접합시켜야 트랜지스터가 되어 비로소 단일 집적 회로를 구현할 수 있다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr