건국대학교 물리학과 정현종 교수 연구팀이 2차원 구조의 금속 ‘그래핀’과 전기가 통하지 않는 절연체 물질인 ‘육방정계 질화붕소’를 이용해 전류 제어에 필수 요소인 반도체 없이도 높은 전류 제어비를 가지는 차세대 전계 효과 트랜지스터를 개발했다.

과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 중견 연구 사업과 삼성전자 미래기술육성센터 등의 지원으로 진행한 이번 연구 성과는 자연과학 분야 연구를 전문으로 하는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’(IF 12.121)에 게재 승인됐다. 논문 제목은 ‘Semiconductor-less Vertical Transistor with ION/IOFF of 106’다.

전계 효과 트랜지스터는 게이트에 가해진 전압이 반도체에 흐르는 전류를 제어할 수 있게 한 장치로, 단극성 트랜지스터라고도 한다.

연구팀이 개발한 비반도체 기반 트랜지스터는 반도체를 바탕으로 한 기존 트랜지스터와는 달리 온도 변화와 관계없이 높은 전류 제어비(ION/IOFF = 106)를 유지했다.

그래핀(Graphene), 이황화 텅스텐(WS2), 이황화 몰리브덴(MoS2), 육방정계 질화붕소(hBN)는 수 나노미터(1㎚=10억분의 1m)의 원자가 한 겹으로 배열된 2차원 물질이다. 얇고 잘 휘면서 단단한 특성이 있어 반도체는 물론 태양 전지, 디스플레이 등에 적용하기 위한 연구가 이어지고 있다.

2차원 물질 가운데 반도체 특성을 보이는 이황화 텅스텐과 이황화 몰리브덴은 얇은 두께와 높은 전류 제어비로 실리콘의 직접도 한계를 극복할 차세대 반도체 물질로 평가된다. 하지만 이를 이용한 전자소자들은 온도에 따라 전기 전도도가 변하는 반도체 특성상 소자의 전류-전압 특성이 온도에 의존적이라는 문제가 있다.

연구팀은 3차원 물질의 직접도 한계를 극복하면서 반도체 기반 전자소자의 온도 의존성 문제를 해결하기 위해 그래핀과 육방정계 질화붕소를 이용해 ‘전계 방출 배리스터*(Field-emission Barristor)’를 제작했고, 영하 258℃부터 영상 127℃까지 전류-전압 특성이 변화하지 않는 것을 확인했다.

전계 방출 배리스터로 명명된 새로운 전자소자는 게이트 전압으로 그래핀 내 전자의 에너지를 조절해 그래핀과 육방정계 질화붕소 사이에 형성된 터널링(tunneling) 장벽의 높이를 제어하게 되고, 이에 따라 발생하는 전계 방출(field-emission) 정도를 조절해 소자에 흐르는 전류를 제어하게 된다. 전계 방출로 발생하는 전류는 온도 영향을 받지 않기 때문에 소자의 전류-전압 특성 역시 온도에 따라 변하지 않게 된다.

정현종 교수는 “이번 연구에서 개발한 기술은 광범위한 온도에서 동작하는 차별적인 전자소자를 구현하는 방식으로 반도체 물질의 한계를 극복할 수 있다”며 “특히 극한의 환경에서도 동작하는 센서 등 기존의 반도체 소자로는 구현할 수 없는 새로운 기능을 개발할 수 있는 가능성을 제시했다”고 말했다.

이번 연구는 연구 책임자인 물리학과 정현종 교수(교신 저자), 이준호 연구원(공동 제1저자), 이화여대 물리학과 신동훈 박사(공동 제1저자), 카이스트 물리학과 양희준 교수(공동 제1저자)와의 공동 연구로 진행됐다.

*배리스터(Barristor): 배리어(Barrier)+트랜지스터(Transistor)의 조합으로, 연구 책임자가 2012년 삼성전자 종합기술원 재직 시 새롭게 만든 용어다. 그래핀의 전자의 에너지를 제어해 그래핀-반도체 또는 그래핀-절연체 사이의 배리어를 조절하는 방식으로 전류를 스위칭(Switching)하는 소자를 통칭한다.