부산대·성균관대·인하대 공동 연구
차세대 나노 전자·광소자 핵심 원천 기술
국내 연구진이 머리카락 두께 1만분의 1 수준에 불과한 초소형 나노 다이오드(전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 전자 소자)를 개발, 우수한 정류 특성과 광응답 성능 구현에 성공했다. 차세대 나노 전자기기와 광전소자 개발에 기여할 것으로 전망된다.
부산대학교(총장 최재원)는 김지희 물리학과 교수팀이 성균관대, 인하대와 공동연구로 접촉 면적이 6.82나노제곱미터(nm²) 수준의 나노 쇼트키 다이오드(Schottky diode)를 구현했다고 5일 밝혔다.
쇼트키 다이오드는 금속과 반도체 사이의 경계면에서 전류를 일방향으로 흐르게 해주는 중요한 구조다. 이 구조는 더 작게 만들수록 유용하지만 전류 흐름이 왜곡되거나 원하는 특성이 사라지는 문제가 있었다.
연구팀은 전도성 원자힘 현미경(CAFM)의 탐침(PtSi 팁)을 활용해 문제를 해결했다. 초평탄 금 전극 위에 놓인 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)에 CAFM 탐침을 핀처럼 사용해 금속-반도체가 맞닿은 접촉 구조를 만들고, 기존 다이오드보다 훨씬 좁은 공간에서 정밀한 전류 제어에 성공했다.
또 이황화몰리브덴 두께에 따른 전류-전압 특성 변화를 체계적으로 분석하고, 기존 대면적 접촉 기반 다이오드에 비해 현저히 높은 정류비를 확인했다.
이 나노 쇼트키 다이오드는 전류 제어 소자뿐 아니라 빛을 감지하는 광다이오드 기능 수행도 가능했다.
연구팀은 이황화몰리브덴 두께 및 빛의 파장, 조사 위치에 따른 단락전류, 개방전압, 광전하 이동 양상 등을 분석해 광전 효과가 극도로 작은 접촉 면적에서도 명확하게 발현된다는 것을 실증했다.
이번 연구 성과는 나노미터 수준의 통신 장치, 후각 센서를 포함한 헬스 모니터링 시스템, 인공지능(AI) 기반 초소형 이미지 센서 및 뉴로모픽 소자 설계 등 다양한 차세대 응용 기술 개발을 촉진할 것으로 기대된다.
김지희 교수는 “접촉 면적을 수 나노미터 수준까지 줄이면 전하 흐름을 정밀 제어하는 것이 어렵다는 기존 통념과 달리, 오히려 더 높은 민감도와 정류 특성이 구현된다는 것을 입증했다”며 “전자 소자의 물리적 성능을 원자 단위에서 측정·제어할 수 있는 새로운 기술적 기반을 제시했다”고 설명했다.
이번 연구는 재료과학 분야 국제 학술지 '스몰(Small)' 8월 14일자에 실렸다.
부산=임동식 기자 dslim@etnews.com
