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강한 전기장에 노출된 이차원 반도체, 전류의 갑작스런 증폭 원인 찾았다 보기
제목 강한 전기장에 노출된 이차원 반도체, 전류의 갑작스런 증폭 원인 찾았다
연구팀 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀 조회수 1205
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- 고전계하((高電界)에서 전류 증폭하는 ‘애벌런시’ 현상 최초로 규명

- 이차원 초박막 반도체소자의 안정적 구동에 핵심정보를 제공할 것으로 기대

 

‘꿈의 소재’로 주목받고 있는 그래핀(Graphene)과 같은 이차원 물질은 뛰어난 물리?화학적 특성을 가지고 있어 이를 활용한 웨어러블 전자기기 구현에 대한 연구가 활발하다. 그러나 그래핀은 전계효과트랜지스터*와 같은 반도체 소자에 응용되기 어려운 점이 한계점이 있었다. 이차원 신소재 중 이황화 몰리브덴(molybdenum disulfide, MoS2)은 박막화가 용이하여 초박막 웨어러블 전자소자에 응용할 수 있다는 장점과 본연의 밴드갭**으로 인해 반도체 채널 층으로 활용될 수 있어 잘 휘어지고, 투명한 속성, 높은 전하 이동속도를 가지는 차세대 웨어러블 반도체 소재로 큰 주목을 받고 있다.
*전계효과트랜지스터(field-effect transistor, FET) : 박막상(薄膜狀)의 반도체에 흐르는 전류를    그것과 수직인 전계를 가해서 전자 흐름을 다른 전극으로 제어하는 전압 제어 형 반도체
**밴드갭(band gap) : 반도체, 절연체의 띠구조에서 가장 높은 곳과 가장 낮은 바닥까지 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대학교 물리천문학부 이탁희 교수팀과의 공동연구를 통해 강한 전기장 하에서 이황화 몰리브덴(MoS2) 전계효과트랜지스터(field-effect transistor, FET)의 임계전압 후의 전류 증폭이라는 독특한 물리적 현상의 원인이 ‘전자사태 항복’(애벌런시, avalanche breakdown) 현상***임을 밝혔다. 또한 연구진은 이차원 반도체의 두께에 따라 임계전압이 조절 가능하다는 것을 밝혀 다양한 응용 연구에의 기반을 마련했다.
*전자사태 항복(avalanche breakdown) : 반도체 속의 강한 전계에 의해 새로운 캐리어를 발생하는 과정이 반복, 이때 생기는 전류의 증폭에 의해 현저하게 전기저항이 작아지는 상태.

 

최근 전자 소자의 크기가 수 마이크로미터(㎛) 이하로 작아짐에 따라 반도체 층이 강한 전기장 환경에 노출되었을 때, 반도체 내부의 높은 전류에 의한 열로 인해 소자 동작 실패에 대한 많은 보고가 있었다. 하지만 특정 임계전압 이후 전류가 ‘증폭’하는 물리적 현상에 대한 명확한 원인 규명은 보고된 바가 없었다.

 

KIST-서울대 공동연구팀은 이러한 임계전압 이후 급작스런 전류의 증폭에 대한 물리적 현상에 대해 주목했다. 연구진은 실험을 통해, 이 현상이 기존에 보고되었던 이차원 반도체의 접촉 영역에서 발생하는 열 문제보다는 ‘전자사태 항복’(애벌런시, avalanche breakdown) 현상이 가장 큰 원인임을 관측하는데 성공했다. 특히 연구진은 전류 증폭의 임계전압은 이차원 반도체의 두께에 따라 변화한다는 것을 규명하여, 두께가 두꺼울 때, 임계전압이 낮아지고, 두께가 얇을 때, 임계전압이 높아지는 것을 밝혔다. 공동연구진은 이번 결과로 이차원 반도체 분야에 다양한 응용 연구의 가능성에 대한 기반을 마련했다는 평가를 받고 있다.

 

KIST 정승준 박사는 “이번 연구가 점점 작아지는 이차원 반도체의 소자 크기로 인해 발생할 수 있는 물리적 현상과 전기적 특성 변화에 대한 이해도를 높이고, 향후 초박막 이차원 반도체 및 전자재료 기반 차세대 웨어러블 응용소자 구현에 핵심기반이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 창의연구단 과제로 수행되었으며, 연구결과는 ‘ACS Nano’ (IF : 13.709, JCR 분야 상위 4.23%)에 최신호에 게재되었다.

 * (논문명) Two-Dimensional Thickness-Dependent Avalanche Breakdown Phenomena in MoS2 Field-Effect Transistors under High Electric Fields
        - (제1저자)  서울대학교 물리천문학부 박진수 박사과정
        - (교신저자) 한국과학기술연구원 정승준 선임연구원 
        - (교신저자) 서울대학교 물리천문학부 이탁희 교수

 

 

<그림설명>

 

MoS2 전개효과트랜지스터에서의 애벌런시(아발란체) 현상 연구. (a) 채널 길이에 따른 아발란체 현상. (b) 아발란채 현상 설명을 위한 밴드다이어그램. (c) MoS2 두께에 따른 임계전기장(ECR). (d) 충격이온화율 (Impact Ionization Rate).

MoS2 전개효과트랜지스터에서의 애벌런시(아발란체) 현상 연구.
(a) 채널 길이에 따른 아발란체 현상.
(b) 아발란채 현상 설명을 위한 밴드다이어그램.
(c) MoS2 두께에 따른 임계전기장(ECR).
(d) 충격이온화율 (Impact Ionization Rate).

 

 

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