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▲ 2차원 층상형 나노소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)를 기반한 고주파 전용 수직형 쇼트키 다이오드의 모식도 (상부) 및 차단주파수 특성 (하부) (자료제공=연세대) |
[에너지경제신문 송기우 에디터] 연세대학교 임성일 교수(물리학과) 연구팀은 2차원 층상형 나노 반도체소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 수직방향 전하수송현상을 이용해 5세대 통신용 27GHz 고주파 쇼트키 정류소자를 개발했다.
지금까지 연구돼 온 2차원 층상형 나노소재 기반 전자소자는 실리콘 반도체를 대체할 차세대 반도체 물질로 각광받아왔으나, 2차원 층상 수평형 나노소자는 극박막 반도체의 고유 성질인 제한적인 채널/접촉 부피 때문에 결국 높은 접촉저항, 직렬저항, 기생 정전용량을 초래할 수밖에 없었다. 또한 공기 중에 노출된 반도체 표면에서 일어나는 열화현상으로 인해 전자소자의 성능이 떨어지는 고질적인 문제점들이 더욱 뚜렷하게 나타났다. 최근 이러한 문제점들을 극복하기 위한 다양한 대안들이 제시됐지만 실리콘 반도체를 대체하기엔 아직 많은 어려움이 있다.
이번 연구에서는 2차원 층상형 나노소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 반도체를 이용해 수평형이 아닌 ‘수직형’ 쇼트키 다이오드 소자를 제작했다. 산화알루미늄 절연막공정, 층상 간 양자터널링 전하수송현상, 그리고 수직형 소자 구조의 장점을 이용해, 5세대 이동통신 주파수 대역에서 안정적으로 작동할 수 있을 만큼 높은 속도(27GHz)의 초고주파 정류 특성을 유리기판 위에 구현했다.
2차원 층상형 나노소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)은 P-타입 반도체 물질로 백금(Pt) 전극과는 오믹접촉을, 투명전극으로 사용되는 ITO전극과는 강한 쇼트키 접촉을 형성한다. 기존 연구에서는 수평형 다이오드만을 주로 연구해 접촉저항이 컸으나, 본 연구에서는 수직형을 시도해 최소 접촉저항을 얻어냈다.
수직형 소자 구조를 이용해 수직 방향의 채널/접촉 부피를 최적화시켜 접촉저항, 직렬저항, 기생 정전용량을 최소화시킬 수 있었다. 또한 다이오드 자체의 수직 방향 채널이 접촉금속으로 보호돼 있어, 공기 중의 산소와 수분의 흡탈착에 의한 열화현상을 극적으로 감소시킬 수 있었다.
결과적으로 본 쇼트키 소자는 작은 접촉저항(50Ω), 작은 기생정전 용량(수백 fF)만을 허용했고, 최대 27GHz의 초고속 차단주파수를 보여줬다. 이는 실리콘과 갈륨비소를 제외하고는 2차원 층상형 소재 혹은 박막 소재들에서 보여준 최고의 값이다.
연구진은 이에 그치지 않고 산화알루미늄 막을 이용해 쇼트키 다이오드와 축전기가 병렬로 연결된 자체 회로를 제작해 다양한 주파수 영역에서 상용 가능한 AC/DC 변환기와 AM신호검파기 작동을 구현했다.
이와 같은 소자는 유리와 플라스틱 위에 쉽게 제작 가능해 차세대 자동차 내부창에도 안테나 및 회로와 함께 장착할 수 있어 5세대 통신에 유효하게 적용될 가능성이 있다.
임성일 교수는 "이번 연구를 통해 얻어진 2차원 층상 나노반도체를 적용한 수직형 고주파 쇼트키 정류소자는, RF 밀리미터파 영역에서 초고주파 특성이 우수하고 소자제작이 각종 기판에서 용이하므로 학문적 가치뿐 아니라 실용적 가치도 높이 인정받을 것을 기대한다"고 밝혔다.
이 연구는 양승진 석사과정생(연세대)이 제1저자로, 물리학과 김관표 교수(연세대, 제2교신저자), 전자공학과 민병욱 교수(연세대), 임재호 연구원(미국 미시건대)과 협력 연구한 결과로, 3월 27일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 과학기술정보통신부의 선도연구센터지원사업(SRC)과 도약연구후속지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
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