차세대 반도체 개발은 초소형·고효율 연구가 핵심이다. 웨어러블 기기와 사물인터넷이 주가 되는 미래 모바일 환경을 위해서다. 최근, 연구자들은 반도체 미래 소재로 그래핀¹⁾과 이황화몰리브덴(이하 MoS₂)²⁾의 무한한 가능성에 주목하고 있다.

일반적으로 금속성을 보이는 그래핀은, 특수한 구조로 만들거나 특정 환경에서만 반도체적 특성이 나타난다.³⁾ 실생활에 적합한 고성능 반도체 소재로써 활용이 더딘 이유다. 이 같은 한계를 극복하고자 MoS₂ 등 반도체 특성을 갖는 2차원 물질과 그래핀 조합의 연구가 활발하다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원 나노구조물리연구단(단장 이영희, 성균관대 물리학과) 연구진과 성균관대학교 유우종 교수(전자전기공학부) 연구진, 미국 UCLA 시앙펑 두안 교수(화학과) 연구진은 공동연구로 1.3nm⁴⁾ 두께의 초박막 그래핀-MoS₂ 적층(그래핀/MoS₂/그래핀) 반도체 광센서를 개발했다.

기존 반도체의 주재료는 3차원 물질인 실리콘(Si)이다. 전문가들은 다수 전자 흐름에 의한 발열 등의 문제로 실리콘 반도체의 한계 두께를 14nm로 보고 있다. 연구진은 2차원 물질인 MoS₂, 그래핀을 각각 반도체와 전극 소재로 사용해 돌파구를 찾았다. 이번에 개발된 적층 반도체는 두께가 2(반도체)/그래핀(전극)을 쌓아 만든 구조로 각각 0.34nm/0.65nm/0.34nm로 총 두께가 1.33nm로 매우 얇은 반도체 광센서">1.33nm⁵⁾로 매우 얇아 동작에 필요한 전압을 크게 낮출 수 있다. 이로써 실리콘 반도체의 과다전력 소모와 발열 문제를 극복할 수 있게 됐다.

또한 초고효율 광소자 개발이 탄력을 받을 전망이다. 그래핀/MoS₂/그래핀 적층 구조는 p-n접합 다이오드⁶⁾가 아니어도 매우 높은 광전류가 생겼다. 각 그래핀과 MoS₂ 사이에 형성되는 에너지 장벽⁷⁾ 크기의 차이로 전자의 터널링⁸⁾ 정도가 달라져 광전류가 발생하는 원리다.

일반적인 광센서는 p형과 n형 반도체⁹⁾를 수직으로 쌓아 다이오드로 제작한다. p-n접합 다이오드의 접합부위에 형성된 전기장은 빛으로 생긴 전자와 정공(홀)을 분리시켜 광전류를 발생시킨다. p-n접합 다이오드 구조 역시 일정 수준(14nm) 이상의 두께가 필요하다. 지금까지 원자 1~2개 높이(0.65nm)의 2차원 물질은 너무 얇아 수직방향 p-n접합 다이오드 구조 제작이 불가능해 광센서로 쓸 수 없다고 여겨졌다.

연구진은 나노미터 두께의 초박막 반도체가 상용화되면 현재 반도체 시장 규모에 버금가는 경제적 효과가 있을 것으로 전망하고 있다. 유우종 교수는 "연구 성과가 상용화되면 2차원 소재 기반 기술 개발로 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구가 가속화 될 것"으로 내다봤다.

▲ (a)그래핀(GrB, 0.34nm), 이황화몰리브덴(MoS₂, 0.65nm), 그래핀(GrT, 0.34nm)을 적층해 제작한 반도체 광센서의 이미지 (b)실제 제작한 초박만 반도체 광센서의 현미경 이미지 (c)측정된 광전류 이미지. 그래핀/MoS₂/그래핀이 겹쳐진 중앙부분에서 매우 높은 광전류가 확인됨.

▲ 그래핀-MoS₂ 적층 반도체 광센서의 에너지 밴드 다이어그램 이미지. 각 그래핀과 MoS₂ 사이에 에너지 장벽이 생성 되고, 그래핀의 도핑 정도에 따라 각 에너지 장벽의 크기가 변한다. MoS₂에서 빛에 의해 생성된 전자가 에너지 장벽이 낮은쪽으로 터널링해 이동하며 광전류가 생성된다.