국내 연구진, 흑린 이용 새 2차원 반도체 소재 발굴

IBS 나노구조물리연구단, 흑린 활용해 고성능 반도체 소자 구현

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 연구팀이 성균관대학교와 공동으로 흑린(Black Phosphorus)을 이용해 새로운 2차원 반도체 소재를 발굴했다. 흑린이 2차원 반도체 소재 중 전자이동도가 가장 큰 물질이라는 점도 최초로 밝혀냈다고 30일 밝혔다.

최근 흑연을 원료로 한 소재인 그래핀 연구가 발달함에 따라 층간 상호작용이 강한 흑린에 대한 다양한 응용이 주목 받고 있는 상황이다. 흑린은 검은 인으로 인과 원소는 같지만 성질이 달라 그래핀처럼 2차원 층 구조를 이루고 있다.

알루미늄을 접합금속으로 사용해 흑린 박막의 일함수를 제어할 경우 흑린에서 N형 운반자를 가질 수 있음을 증명했다.

특히 미래형 웨어러블 전자기기나, 투명 디스플레이 등을 구현하려면 휘어지고 늘어나면서도 성능은 뛰어난 전자소자 개발이 필수라 실리콘 이후 차세대 전자소재를 만들 소재로 흑린이 새롭게 떠오르고 있다.

흑린을 박막으로 변환해 반도체 소자에 적용하려는 연구들이 진행돼 왔지만 공기와 반응하는 속도가 매우 빠르고 성질이 불안정해 반도체 성질을 갖도록 제어하는데 어려움을 겪었다.

연구팀은 알루미늄을 접합금속으로 사용해 흑린의 두께를 조절하고 물성을 제어하는데 성공했다. 이를 통해 흑린으로 고성능 N형(전자 제어) 반도체를 구현했다.

더 나아가 흑린의 박막 두께가 두꺼워지면 전자 제어(N형) 뿐만 아니라 정공 제어(P형)도 가능한 N-P 접합형 반도체를 구현할 수 있음을 증명했다. 연구팀은 접합 금속과 두께 제어를 통해 n형, p형 운반자를 갖는 반도체 박막으로 사용할 수 있음을 처음으로 증명한 것이라고 설명했다.

또 흑린 반도체는 기존 실리콘 반도체에 비해 전자이동도가 훨씬 빠르다는 점을 확인했다.

이영희 나노구조물리연구단장은 “실리콘처럼 아주 흔한 물질인 흑린을 새로운 2차원 나노물질 박막소재로 쓸 수 있음을 보여주었다”며 “앞으로 대면적 합성 기술 개발이 실용화의 관건이 될 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 세계 권위의 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)온라인에 7월 30일에 게재됐다.