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[180910] 이차원 반도체소재 기반 전자소자 에너지 극대화 기술 개발

Writer  Kwang Young Lee  |  Date  2018.09.14 16:50:55  |  View 367

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신기술

이차원 반도체소재 기반 전자소자 에너지 극대화 기술 개발

기계신문
2018.09.10.

충격이온화가 일어나면 전하반송자의 수가 증가하여 반도체 성능 향상 외에 태양전지, 광검지센서, 광에미터와 같은 광전소자의 에너지효율과 광전변환속도를 크게 높일 수 있어 산업응용의 측면에서 매우 중요하게 활용할 수 있다.

충격이온화는 고체 내 근접한 전하반송자 사이에 일어나는 전기적 반응에 의해 추가적인 전자-홀 쌍이 생성되는 현상으로, 기존에는 실리콘 등의 전자재료에서 충격이온화에 대한 연구가 있었지만, 소재의 삼차원 구조적 한계로 효과가 거의 없는 것으로 알려져 있었다.

그러나 최근 이차원 소재 연구가 활발해지면서 이차원 소재 중 흑린에서 충격이온화가 활발히 일어나는 게 관찰되었다. 특히 이차원 소재에서는 수직방향으로 전자운동이 제한되므로 충격이온화는 새로운 모양으로 전개될 것을 기대할 수 있었다

최근 성균관대학교 나노과학기술학과 유원종 교수 연구팀은 이차원 흑린 소재를 활용해 전자 소재 내에서 가속적 충격이온화에 따른 전자 발생 기술을 개발했다고 밝혔다. 이로써 이차원 반도체소재에서 에너지 발생을 획기적으로 극대화할 수 있게 됐다.

연구팀은 이차원 소재로 흑린을 채용하였는데, 그 이유는 흑린이 전자이동도가 약 500 ㎠/Vs로 다른 밴드갭이 있는 이차원 소재에 비해 크고, 직접 밴드갭을 형성하여 전자산업 및 광전산업 응용도가 높을 걸로 기대되기 때문이다.

그러나 흑린은 공기에 노출될 때 수화(hydration) 및 산화(oxidation)가 쉽게 일어나는 단점이 있다. 따라서 같은 종류의 이차원 소재인 육방정질화붕소(hBN : hexagonal boron nitride)로 흑린을 공기로부터 차단시켜 소자를 제작하였다.

이렇게 제작된 흑린소자를 전기적으로 시험한 결과, 기존 반도체와는 달리 전압의 증가에 따라 전하반송자의 숫자가 순간적으로 10배 이상 증가하는 새로운 현상이 발견되었다. 이를 이용하면 반도체 성능 향상뿐 아니라 에너지 효율도 크게 높일 수 있다.

더욱이 육방정질화붕소를 통해 소자에서 발생한 열이 쉽게 제거되는 효과도 발견되었으며, 이러한 결과는 전류-전압 특성뿐 아니라 고자장 시험을 통한 전하반송자 분석결과에서도 입증되었다. 이에 따라 기존에 일반적으로 사용하던 실리콘산화막(SiO2)을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.

유원종 교수는 “이번 연구는 이차원 반도체소재 흑린의 충격이온화 현상을 통해 전자수가 폭발적으로 증가하는 현상을 발견한 것으로, 향후 반도체, 태양전지, LED의 에너지 효율을 극대화하는 데에 적용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업의 지원으로 수행되었으며, 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 24일 논문으로 게재되었다.


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