한국표준과학연구원(원장 박상열)은 양자기술연구소 정수용 책임연구원팀은 기존 p형과 n형 반도체 결합 방식에서 탈피, 2차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)만을 사용해 수직형 다이오드를 구현하는데 성공했다고 16일 밝혔다.

전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 다이오드는 현대 전자공학에서 중요한 소자로 자리매김하고 있다. 반도체는 불순물을 첨가하는 도핑이라는 과정을 통해 p형 또는 n형 특성을 갖는다. 기존 다이오드는 이 두 특성을 가진 2차원의 서로 다른 반도체를 이종접합해 구현하는 것이 일반적이었다.

하지만 외부 환경변화에 직접 노출되는 2차원 물질 특성상 구조가 다른 두 물질의 접합은 전력손실, 접촉저항 증가 등 다이오드의 성능을 저해하는 치명적인 요인으로 작용했다.

연구진은 이번 기술개발을 통해 기존 2차원 소자의 문제점을 개선했다. 정수용 양자기술연구소 책임연구원팀은 두께가 원자층까지 얇아져도 반도체 성질을 갖는 2차원 층상 반도체 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)만을 이용해 수직형 다이오드를 구현했다.

기존의 방식이 p형과 n형으로 도핑된 다른 물질을 접합시켰다면, 이번 기술은 도핑 현상을 이용해 WSe₂ 물질의 양 끝단에 p형과 n형의 특성을 유도한 것. 연구진이 개발한 이번 기술은 뛰어난 성능과 안정성을 갖는다. 특히, 단일면적당 전하수송 능력을 의미하는 전류밀도에 있어 세계 최고 수준을 자랑한다.

또, 연구진이 개발한 다이오드의 p영역과 n영역 사이에는 WSe₂ 본연성질을 지닌 절연층이 샌드위치처럼 들어가 있다. 이 절연층의 길이, 즉, 박막 두께를 조절하면 다양한 장점을 갖는 다이오드로 응용할 수 있다.

이 다이오드의 또 다른 장점은 전하수송 원리가 양자 터널링 현상을 기반으로 한다는 것이다. 양자 터널링이란 전자나 원자핵과 같은 미소한 입자가 힘이 미치는 범위까지의 장벽을 투과할 수 있는 효과를 말한다. 따라서, 소자 구동 속도 증가를 기대할 수 있어 초고속 전자소자에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

정수용 책임연구원은 "이번에 개발한 수직형 다이오드 구조는 소자 구성이 간단하고, WSe₂뿐만 아니라 다양한 2차원 물질에도 적용 가능한 플랫폼"이라며 "극고온‧극저온‧초고압 등의 극한 환경에서도 견딜 수 있는 초소형 소자에 활용할 수 있다. 또, 에너지 손실을 최소화할 수 있어 태양전지나 광원 검출기와 같은 미래 산업에서도 활용성이 높다"라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 12월에 게재됐다.