공기 중 장기간 노출에도 안정한 n형 그래핀 반도체 소자 개발

“기존에 없는 n형과 p형 동시에 존재하는 그래핀 반도체 개발 가능”

 

 

                                            

교신저자인 이효영 교수(뒷줄 오른쪽)와 주저자인 수라지트 솜(Surasit Some) 박사(앞줄에 앉아있는)가 개발한 n형 그래핀 반도체 채널이 공기 중에도 안정한지 여부를 확인하고 있다.

 

공기 중에 장기간(6개월 이상) 노출해도 특성이 전혀 변하지 않는 n형 그래핀 반도체 소자가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 신개념 그래핀 반도체 소자(n형과 p형 반도체 소자 동시 존재) 개발에 가능성을 열었다.

성균관대 이효영 교수(48세)가 주도하고, 김태성 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 ‘Advanced Materials’지 8월 7일자 온라인으로 게재됐다. (논문명: Highly Air-Stable Phosphorous-Doped n-Type Graphene Field-Effect Transistors)

흑연의 표면층을 한 겹만 떼어낸 탄소나노물질인 그래핀(Graphene)은 높은 전도성과 전하이동도 및 강한 결합력 등을 갖고 있어 향후 응용 가능성이 많아 ‘꿈의 신소재’로 불린다. 특히 반도체 소자 분야에서는 기존의 실리콘 반도체의 한계(부러지기 쉬운)를 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그래핀 반도체는 일반적으로 공기 중에서 p형의 특성을 지닌다. 또한 n형이라도 공기 중에서 쉽게 p형으로 변형되는 한계가 있다. 따라서 n형과 p형이 동시에 존재하는 상호 보완적인 그래핀 반도체 소자를 개발하기 위해서는 n형의 특성이 극대화되면서도 그대로 유지되는 것이 무엇보다 중요하다.

최근 질소 원자를 그래핀에 넣어 n형 반도체의 특성을 나타내는 소자를 개발했지만, 이것도 역시 시간이 지남에 따라 공기 중의 산소와 수분의 영향으로 n형의 특성을 잃고, p형 반도체와 같은 특성을 지니게 되는 단점이 있었다.

이효영 교수 연구팀은 전자가 매우 풍부한 인(?, P)을 그래핀에 도핑(첨가)해 n형 반도체 특성을 극대화함으로써, 그래핀의 장점인 높은 전하이동도를 그대로 유지하면서도 실리콘에 비해 간단하면서 경제적인 공정으로 n형 그래핀 반도체 소자를 개발했다.

또한 연구팀이 개발한 n형 그래핀 반도체 소자는 기존의 연구결과와 같은 진공상태가 아닌 공기 중에 장기간 그대로 노출해도 그 특성을 유지해 실용화 가능성을 높였다.

이효영 교수는 “우리나라가 세계 반도체 시장에서 지속적으로 우위를 선점하기 위해서는 보다 안정적이며 성능도 뛰어난, 특히 장기간 공기 중에 노출돼도 안정한 n형 그래핀 반도체 소자 개발이 필요하다. 이번 연구는 그래핀에 인을 도핑해 n형 반도체 소자의 특성을 극대화하는데 성공함으로써, p형과 n형이 동시에 존재하는 상호보완형 그래핀 소자 개발에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.