기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 조문호 부연구단장(포스텍 신소재공학과 무은재 석좌교수) 연구팀은 2차원 반도체에 빛을 쪼이면 스스로 도핑¹⁾이 되는 '레이저 도핑' 기술을 개발했다. 수 초간 레이저를 조사하는 것만으로 도핑을 할 수 있어 쉽고 경제적인 기술로, 연구진은 2차원 반도체 단일 집적 회로²⁾를 구현하는 데도 성공했다.

차세대 반도체 후보로 주목받는 원자층 2차원 반도체는 둘둘 말리는 전자기기, 사물인터넷(IoT) 전자 부품, 극초소형 컴퓨터를 구현하기 위한 핵심 소재다. 그 동안의 기술적 난제는 고성능 회로를 만들기 위한 도핑 기술이 아직 없다는 점이었다.

도핑은 일종의 불순물을 주입해 반도체의 전도율을 증가시키는 공정으로 전자기기 제작에 필수적이다. 상용화된 전자기기는 액체나 기체 상태의 이온을 주입해 도핑한다. 하지만 원자 두께로 얇은 2차원 반도체에 불순물을 주입할 경우 깨질 가능성이 있고, 또 농도를 섬세하게 조절하기 어렵다는 한계가 있었다.

서승영 연구원(포스텍 신소재공학과)이 제1저자로 주도한 이번 연구는 인위적 불순물을 주입하지 않고도 가시광선 조사를 통해 원자층 2차원 반도체 트랜지스터 소자의 p-형 도핑에 성공했다. 연구진은 주사터널링현미경(STM)³⁾으로 반도체를 관찰하며, 전자가 많은 형태의 n-형 반도체에 초록색(파장 532nm) 레이저 빛을 수 초간 조사했다. 레이저가 조사된 반도체 표면과 내부에는 국소적인 원자결함이 생기고, 이후 결함이 생긴 공간으로 공기 중의 산소로부터 정공이 주입되며 최종적으로 정공이 많은 p-형으로 도핑됐다.

연구팀은 빛의 세기와 조사 시간을 조절해 도핑 농도를 제어하는 데도 성공했다. 정공의 농도에 따라 반도체 소자의 전기전도도는 최대 10만 배까지 높아졌다. 이번에 개발된 레이저 도핑 공정은 대기 중에서 수 초 내에 빠르고, 대면적 도핑이 가능하기 때문에 기존 도핑 기술에 비해 쉽고 경제적이며, 집적 회로 상용화 기술에 곧바로 응용될 수 있다는 장점이 있다.

이어 연구팀은 개발한 도핑 공정을 이용해 다양한 2차원 반도체 회로를 제작하는 데도 성공했다. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe₂)⁴⁾ 화합물에 레이저 도핑을 접목해 2차원 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor)⁵⁾, 2차원 광전압 변환기 등을 구현했다. 원자층 2차원 반도체를 재료로 도핑하고, 실제 회로 구현으로까지 이어진 첫 사례다. 제작된 반도체 회로는 매우 우수한 전류 증폭 성능을 보였다.

이번 연구를 이끈 조문호 부연구단장은 "반도체 물질과 빛의 상호 작용에 대한 기초 과학 연구가 차세대 반도체 회로 응용 기술로 바로 환원됐다는 데 의의가 있다"며 "이러한 기초과학-응용기술 순환 일체형 연구는 미래 기술 개발에 있어 새로운 가치 창출 방식의 핵심이 될 수 있다"고 밝혔다.

이번 연구 성과는 전자 소자 분야 세계적인 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)⁶⁾ 온라인 판에 9월 14일 0시(한국시간)에 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 2차원 반도체 '레이저 도핑' 모식도이텔루륨화몰리브덴(MoTe₂) 기반 원자층 2차원 반도체 소자의 금 전극 위에 가시광선 영역(초록색)의 레이저를 조사하는 장면을 묘사한 그림. 레이저가 조사된 부분에는 원자결함이 형성되고, 이 공간에 공기 중 산소의 정공이 채워진다. 레이저 도핑으로 인해 외부 불순물 주입 없이도 반도체는 정공이 많은 형태인 P-형으로 도핑된다.

▲ [그림 2] 레이저 조사 시간에 따른 도핑농도 조절연구진은 가시광선 레이저 조사 시간을 조절해 도핑 농도를 제어하는 데도 성공했다. 왼쪽 그림은 게이트 전압에 따른 드레인 전류 값을 나타낸 그림으로, 레이저 조사 시간에 따라 최소 전류가 흐르는 게이트 전압이 양수 쪽으로 이동하는 것을 나타낸다. 게이트 전압이 음수일수록 n형, 양수일수록 p형으로 즉, 레이저 조사를 통해 기존 n형이던 반도체가 p형으로 도핑됨을 의미한다. 오른쪽 그림은 원자층 2차원 반도체에 레이저를 조사한 시간에 따른 표면 저항의 변화로, 연구진은 수십 초 이내에 반도체 소자의 저항을 10만 배 이상 조절할 수 있다는 점을 확인했다.

▲ [그림 3] 연구팀이 '레이저 도핑'으로 구현한 양극성 접합 트랜지스터이번 연구에서 개발된 '레이저 도핑' 공정으로 구현한 2차원 반도체 양극성 접합 트랜지스터(왼쪽)와 게이트 전압에 따른 양극성 접합 트랜지스터의 전류게인(오른쪽). 게이트 전압을 걸어줬을 때 최대 140배 정도의 전류 증폭 성능을 확인했다.

▲ [그림 4] 주사터널링현미경(STM)으로 관찰한 원자층 2차원 반도체의 모습이텔루륨화몰리브덴(MoTe₂) 표면을 원자 수준의 해상도로 갖는 주사터널링현미경(STM)을 통해 관찰한 모습. 레이저 조사 이후 반도체의 표면과 내부에는 여러 형태의 결함(Type A, B, C)이 형성된다. 이중 C형(파란색) 결함이 p형 도핑의 원인으로 밝혀졌다.