에너지과학과 정문석 교수 연구팀, 양자 터널링 소자 개발

- 부성미분저항 및 열전자 현상을 이용하여 기존 반도체 소재보다 더 빠르고,

전류를 적게 소비하는 양자 터널링 소자 개발

에너지과학과 정문석 교수와 오혜민 박사 연구팀(공동 제1저자 이주찬 석사과정생, Ngoc Thanh Duong 박사과정생)이 2차원 적층시료의 표면을 제어하여 부성미분저항(Negative differential resistance) 및 핫 캐리어 효과(Hot carrier effect)를 활용한 초저전력 및 고속 소자를 개발했다.
⁕ 양자 터널링 소자 : 양자역학적 공명 터널링 현상을 이용한 초전력 소자
⁕ 부성미분저항 : 소자의 저항이 특정 영역에서 음수를 갖는 현상
⁕ 핫 캐리어 효과 : 반도체 트랜지스터의 사이즈가 작아지면서 채널의 길이도 짧아진다. 이 경우 전계는 커지고 이동하는 전자는 높은 전계를 받아 이동성이 커지는데 이를 핫 캐리어라고 함

본 연구에 적용된 핵심 원리인 부성미분저항(Negative differential resistance)은 소자의 저항이 특정 영역에서 음의 값을 갖는, 즉 전압을 높이는데 전류는 오히려 감소하는 현상으로 에사키 레오나가 보고한 후 1973년 노벨 물리학상을 받았다. 이후 이를 활용한 다양한 소자가 소개된 바 있으나 기대에 미치지 못하는 공진 특성 때문에 다른 소자로 대체된 바 있다.

연구팀은 기존의 실리콘 기반 소자는 공진 특성에 한계가 있다는 이슈에 주목하였고, 공진 특성이 더 우수한 것으로 알려진 2차원 소재를 활용하여 이를 극복하고자 노력했다.

연구팀은 로컬 게이트 전계 효과에 의한 시료의 표면 제어를 통해 기존 부성미분저항 소자 중 가장 우수한 공진 특성을 보이는 데 성공하였으며, 또한 열전자 효과를 통한 새로운 메커니즘의 광전자 소자를 제작하였다고 밝혔다.

정문석 교수는 “2차원 물질을 통해 실리콘 기반 소자의 한계를 뛰어넘은 중요한 연구로 차세대 소재를 이용하여 차세대 소자의 방향성을 제시했다”고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단의 중견연구사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행되었으며, 미국 화학회에서 발행하는 나노과학 분야 세계적 권위 학술지 나노레터(Nano letters)에 2.7(금) 온라인 게재되었다.

[그림] 부성미분저항기반 공진 터널 소자의 개념도(왼쪽 그림) 및 로컬게이트에 따른 전계 방향을 나타내는 전기특성 곡선(오른쪽 그림). 게이트 효과에 따라 접합의 형태가 축적(Accumulation)에서 공핍(Depletion)으로 제어되는 것을 알 수 있다.