[그림1] 차승남 교수, 박상연 박사

손상된 기능을 스스로 치유하는 초박막 반도체 소자가 소개됐다. 자가치유 특성을 통해 반도체 소자의 성능을 획기적으로 늘릴 단초가 될 것으로 기대된다.
우리 대학 물리학과 차승남 교수 연구팀(제1저자 박상연 박사)이 장승훈 박사(한국화학연구원)와 홍승현 교수(국민대학교)와의 공동연구로 기존 금속전극 대신 2차원 황화구리 (CuS) 전극을 새로이 제안하고 자가치유 특성을 갖는 2차원 이황화 몰리브덴(MoS2) 기반 전자소자를 제작하여 소자의 성능을 크게 개선하는데 성공했다고 밝혔다.

2차원 반도체 소재는 유연성과 투명성 등으로 인해 차세대 반도체 소재로서 주목받고 있으나, 원자층 수준의 얇은 두께로 인해 반도체 소자 제작 공정에서 손상되기 쉽다. 특히 전극과 2차원 반도체 계면의 결함과 변칙성으로 인해 전자의 효과적인 이동이 어려워져 소자 특성이 크게 저하될 수 있다.

[그림2] 자가치유 반도체 소자 개발

이에 연구팀은 2차원 반도체 소재 결함의 자가치유 성능을 지니는 전극-반도체 소재 시스템을 제안하였다. 2차원 이황화 몰리브덴의 결함은 대부분 황 원자의 결핍에 의해 발생된다. 황화구리 전극은 소재 내에 존재하는 잉여 황 원자를 2차원 이황화 몰리브덴의 황 원자 결핍 부위에 공급하여 결함을 치유한다. 이러한 결함의 치유는 2차원 반도체 소재 내의 전하 이동을 원활하게 하여, 소자 특성을 향상시킨다. 연구팀은 결함 치유의 작동기작을 다양한 전기적, 분광학적 분석 및 제 1 원리 계산을 통해 규명하였다.

[그림3]자가치유 기작 규명

나아가 자가치유 기능을 포함하는 2차원 이황화 몰리브덴 기반 트랜지스터 소자는 후면 게이트 구조에서 현재까지 보고된 가장 높은 전자이동도를 달성하였으며, 소자의 높은 전자이동도와 광민감도를 나타내 차세대 유연/ 웨어러블 기기의 핵심 소자로서의 활용 가능성을 높였다.

한편 연구팀은 자가치유 특성을 다양한 반도체 소자 적용할 수 있는 소재의 범위를 확장하고, 이의 성능 안정성을 개선하는 후속연구를 지속할 계획이다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 소재 분야 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 표지 논문(Frontispiece)으로 9월 4일 온라인 게재되었다.