거미에 물린 '스파이더 맨', 특별한 슈트를 훔쳐 입은 '앤트맨'…. 영화 속 슈퍼히어로들은 특별한 능력을 얻어 인간을 넘어서는 능력을 갖게 된다. 반도체도 마찬가지다. 반도체는 순수한 상태에서는 전기가 거의 통하지 않는다. 하지만 외부 불순물을 소량 첨가하면 전기가 통하는 물질이 된다. 이 기술을 '도핑'이라 한다. 슈퍼히어로의 아이템처럼 도핑은 반도체를 전자기기용 소자로 사용하기 위한 필수 공정이다.

▲ 조문호 IBS 원자제어 저차원 전자계연구단 부연구단장(왼쪽)과 서승영 연구원.

휴대용 전자기기의 발전과 함께 과학자들은 성능은 높고, 크기는 더 작은 전자기기를 개발하려는 노력을 이어왔다. 두께가 거의 없는 '2차원 반도체'는 이를 완성하기 위한 열쇠로 꼽힌다. 문제는 기존 도핑 기술을 2차원 반도체에 적용할 수 없다는 것이었다. 원자 두께의 2차원 반도체에 불순물을 주입하면 깨질 가능성이 있고, 농도를 섬세하게 조절하기 어렵다는 점이 상용화의 걸림돌이 됐다.

기초과학연구원 원자제어 저차원 전자계 연구단은 빛만을 이용해 외부 불순물 주입 없이도 2차원 반도체를 도핑할 수 있는 기술을 개발해 이 문제를 해결했다. 연구진이 개발한 '레이저 도핑' 기술은 수 초간 레이저를 조사하는 것만으로 대면적 도핑이 가능하다. 기존 전무했던 2차원 반도체 도핑 기술을 개발한 것은 물론, 기존 도핑 기술보다 더 빠르고 경제적인 도핑이 가능하다는 의미다.

▲ IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단 연구진이 개발한 레이저 도핑 공정 모식도.

도핑을 통해 반도체의 전도도를 높일 수 있는 방향은 두 가지다. 하나는 전자의 수를 늘리는 것이다. 전자가 많아지면 원자핵과 결합하지 못한 잉여 전자들이 소재 내부에서 자유롭게 이동할 수 있기 때문이다. 다른 방법은 정공(전자의 빈자리)의 수를 늘리는 것이다. 이 경우엔 전자가 이웃한 빈자리로 이동하는 과정에서 전자의 흐름, 즉 전류가 생긴다. 전자가 많은 반도체를 n-형, 정공이 많은 반도체를 p-형이라 한다.

조문호 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장(포스텍 신소재공학과 무은재 석좌교수) 팀은 레이저 도핑을 통해 반도체를 p-형으로 도핑하는 데 성공했다. 서승영 연구원(포스텍 신소재공학과, 제1저자)을 비롯한 연구진은 주사터널링현미경(STM)으로 2차원 반도체를 관찰하며, 그 표면에 파장 532nm의 초록색 레이저 빛을 수 초간 조사했다. 주사터널링현미경은 맹인이 점자를 통해 글을 파악하는 것처럼, 얇은 금속 탐침을 이용해 표면의 요철을 읽어 원자 수준의 해상도로 이미지를 얻는 기술이다.

▲ 주사터널링현미경(STM)으로 관찰한 원자층 2차원 반도체의 모습. 레이저 조사 이후 반도체 표면과 내부엔 결함(Type A, B, C)이 형성된다. 이 공간에 정공이 주입되며 p-형 반도체로 도핑된다.

그 결과, 레이저가 조사된 반도체 표면과 내부에는 국소적인 결함이 생겼다. 이후 결함이 생긴 공간으로 공기 중의 산소로부터 정공이 주입되며, 반도체는 최종적으로 정공이 많은 p-형으로 도핑됨을 확인했다. 연구진은 빛의 세기와 조사 시간을 조절해 도핑 농도를 제어하는 데도 성공했다. 정공의 농도에 따라 반도체 소자의 전기전도도는 최대 10만 배까지 높아졌다.

▲ 레이저 조사 시간에 따른 도핑농도 조절 실험

이어 연구팀은 개발한 도핑 공정을 이용해 다양한 2차원 반도체 회로를 제작하는 데도 성공했다. 이텔루륨화몰리브덴(MoTe₂) 화합물에 레이저 도핑을 접목해 2차원 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor), 2차원 광전압 변환기 등을 구현했다. 원자층 2차원 반도체를 재료로 도핑하고, 실제로 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 국제학술지 '네이처'의 자매지인 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)' 9월 14일(한국시간)자 온라인 판에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬