세상에서 가장 얇은 산화물 반도체 개발

원자 한 층 두께의 산화물 반도체가 개발됐다. 얇고 투명하며 유연한 전자기기나 초소형 센서 등의 전자장치를 개발하는 데 유용하게 쓰일 전망이다.

이종훈 신소재공학부 교수팀은 ‘2차원 산화아연 반도체(2-dimensional ZnO Semiconductor)’를 개발했다. 그래핀 위에 산화아연을 원자 한 층 수준으로 성장시켜 만든 이 물질은 기존에 산화물 반도체 중 가장 얇은 게 특징이다.

이종훈 교수는 “최근 주목받고 있는 웨어러블 전자기기에는 고성능 유연소자가 필수적”이라며 “이번에 개발한 물질은 얇고 유연하면서도 성능 좋은 전자소자를 만들 수 있다”고 설명했다.

반도체는 작은 크기와 고성능을 가지는 방향으로 진화하고 있다. 기존 실리콘 반도체 역시 이런 흐름을 따른다. 하지만 공정이 미세해질수록 성능 부분에서 한계가 나타났다. 이에 실리콘을 대체할 차세대 반도체에 대한 연구가 활발하다.

그래핀은 실리콘을 대체할 강력한 후보로 꼽혔지만, ‘밴드갭(band gap)’이 존재하지 않아 반도체로 활용할 수 없었다. 밴드갭은 전자가 없는 영역인데 이 부분을 이용해 전기를 흐르게도, 흐르지 않게도 할 수 있다. 그런데 그래핀에서는 이 부분이 없어 전기가 잘 통하기만 한다.

이에 그래핀 위에 밴드갭이 있는 산화물을 성장시켜 반도체를 만들려는 연구가 진행됐다. 전기전도성이 좋은 그래핀을 기판으로 쓰고, 밴드갭이 있는 산화물을 이용해 반도체처럼 전류의 흐름을 통제하려는 것이다.

탄소 원자가 육각형 모양을 이루고 있는 그래핀 위에 산화아연이 성장하는 모습을 표현한 그래픽. 빨간색이 산소 원자, 형광연두색이 아연 원자를 나타낸다.

이종훈 교수팀은 그래핀 위에 산화아연(ZnO)을 성장시키는 방법을 선택했다. 산화아연도 그래핀처럼 육각형 구조를 가졌기 때문이다. 이렇게 만든 ‘2차원 산화아연 반도체’는 ‘양자구속효과(quantum confinement effect)’에 의해 4.0전자볼트(eV)의 밴드갭을 보여 고성능의 전자소자로서 가능성을 보였다. 기존 산화아연 산화물 반도체는 3.2eV 정도의 밴드갭을 가지는데, 이 수치가 클수록 반도체의 누설 전류와 잡음특성을 감소시키는 장점을 가진다.

특히 이번 연구에서는 그래핀 위에서 산화아연의 성장 모습이 실시간으로 관찰됐다. 산화아연 생성 초기 산소와 아연 원자들은 그래핀을 이루는 탄소 원자 위에 자리잡았고, 성장하는 단계에서 배열 각도를 조금씩 바꿔 그래핀 위에 나란히 올려지는 형태를 이뤘다.

이번 논문의 제1저자인 홍효기 UNIST 신소재공학부 박사과정 연구원은 “산화아연이 육각형 배열을 이루는 모습을 실제로 관찰한 것은 처음”이라며 “이를 통해 2차원 산화아연 반도체가 만들어지는 과정과 원리도 파악할 수 있었다”고 말했다.