부산대 연구팀, 머리카락 1만분의 1 크기 나노 다이오드 구현

차세대 초소형 전자·광전 소자 개발 기반 마련

국내 연구진이 머리카락 굵기의 1만분의 1 수준인 초소형 나노 다이오드를 구현하고, 뛰어난 전류 정류 특성과 광응답 성능을 동시에 확보하는 데 성공했다. 이번 연구는 향후 차세대 나노 전자기기와 광전 소자 개발에 중요한 돌파구가 될 전망이다.

부산대학교(총장 최재원) 물리학과 김지희 교수 연구팀은 성균관대, 인하대와 공동연구로 전도성 원자힘 현미경(CAFM) 탐침을 활용해 접촉 면적이 6.82nm² 수준인 나노 쇼트키 다이오드(nano-Schottky diode)를 구현했다고 5일 밝혔다.

쇼트키 다이오드는 금속과 반도체 사이 경계면에서 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 중요한 소자다. 그러나 접촉 면적을 작게 만들수록 전류 흐름이 왜곡되거나 원하는 특성이 사라지는 문제가 있어, 초소형화에 한계가 있었다.

연구팀은 초평탄 금 전극 위에 놓인 2차원 반도체 이황화몰리브덴(MoS₂) 위에 CAFM 탐침을 직접 접촉시켜, 기존 다이오드보다 훨씬 좁은 공간에서도 전류를 정밀하게 제어하는 데 성공했다. MoS₂ 두께에 따른 전류-전압 특성 변화를 체계적으로 분석한 결과, 기존 대면적 접촉 다이오드보다 현저히 높은 정류비를 확인했다. 이는 공핍 영역을 극도로 축소해 전류 흐름을 세밀하게 조절할 수 있었기 때문이다.

이번 나노 다이오드는 전류 제어뿐 아니라, 빛을 감지하는 광다이오드 기능도 수행할 수 있다. 연구팀은 MoS₂의 두께와 빛의 파장, 조사 위치에 따른 단락전류, 개방전압, 광전하 이동 양상 등을 분석해, 극소 접촉 면적에서도 광전 효과가 명확히 발현됨을 실증했다. 이는 나노 구조에서도 내부 전위 장벽이 충분히 형성될 수 있음을 보여준다.

성균관대 오세진 석박통합과정 학생(제1저자)은 "이번 연구를 통해 나노미터 수준에서 전하 흐름과 광응답을 정밀 제어할 수 있음을 입증했으며, 초고밀도 메모리 소자와 AR/VR, 자율주행용 차세대 이미지 센서 등 새로운 아키텍처 설계 가능성을 제시했다"고 밝혔다.

김지희 부산대 교수(교신저자)는 "접촉 면적을 수 나노미터 수준으로 줄이면 전류 제어가 어렵다는 기존 통념과 달리, 오히려 더 높은 민감도와 정류 특성을 구현했다"며, "전자 소자의 물리적 성능을 원자 단위에서 측정·제어할 수 있는 새로운 기술적 기반을 마련한 것"이라고 설명했다. 이어 "이번 연구는 향후 나노 통신 장치, 헬스 모니터링 시스템, AI 기반 초소형 이미지 센서 및 뉴로모픽 소자 설계 등 다양한 차세대 응용 기술 개발에 중요한 발판이 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 권위지인 '스몰(Small)' 8월 14일 자에 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 중견연구자지원사업과 글로벌 선도연구센터(IRC) 과제 지원으로 수행됐다.

왼쪽부터 김지희 교수, 오세진 연구원.

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr