건국대 정현종 교수팀, 반도체 한계 넘는 전계효과 트랜지스터 개발

건국대학교 물리학과 정현종 교수 연구팀이 2차원 구조 금속 ‘그래핀’과 전기가 통하지 않는 절연체 물질인 ‘육방정계 질화붕소’를 이용해 전류제어에 필수적인 반도체 없이도 높은 전류제어비를 갖는 차세대 전계 효과 트랜지스터를 개발했다.

한국연구재단 중견연구사업과 삼성전자 미래기술육성센터 등의 지원으로 진행한 이번 연구 성과는 자연과학 분야 연구 결과를 전문으로 하는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ (IF 12.121)에 게재 승인됐다.

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

연구팀이 개발한 비반도체 기반 트랜지스터는 반도체를 기반으로 한 기존의 트랜지스터와 달리 온도 변화와 관계없이 높은 전류제어 비(ION/IOFF = 106)를 유지했다.

그래핀, 이황화 텅스텐(WS2), 이황화 몰리브덴(MoS2), 육방정계 질화붕소(hBN)는 수㎚ 원자가 한 겹으로 배열된 2차원 물질이다. 얇고 잘 휘면서 단단한 특성이 있어 반도체는 물론 태양전지, 디스플레이 등에 적용하기 위한 연구가 이어지고 있다.

2차원 물질 가운데 반도체 특성을 보이는 이황화 텅스텐과 이황화 몰리브덴은 얇은 두께와 높은 전류제어 비로 인해 실리콘의 직접도 한계를 극복할 차세대 반도체 물질로 보고되고 있다. 하지만 이를 이용한 전자소자는 온도에 따라 전기 전도도가 변하는 반도체 특성상 소자의 전류-전압 특성도 온도에 의존적인 문제점을 가지고 있다.

연구팀은 3차원 물질의 집적도 한계를 극복하면서 반도체 기반 전자소자의 온도 의존성 문제를 해결하기 위해 그래핀과 육방정계 질화붕소를 이용, ‘전계 방출 배리스터(FEB)를 제작했고 영하 258도부터 영상 127도까지 전류-전압 특성이 변화하지 않는 것을 확인했다.

전계 방출 배리스터로 명명된 새로운 전자소자는 게이트 전압으로 그래핀 내 전자 에너지를 조절해 그래핀과 육방정계 질화붕소 사이에 형성된 터널링 장벽 높이를 제어한다. 또 전계 방출 정도를 조절해 소자에 흐르는 전류를 제어한다. 전계 방출에 의해 발생하는 전류는 온도 영향을 받지 않기 때문에 소자의 전류-전압 특성 또한 온도에 따라 변하지 않게 된다.