2차원 소재로 양자 터널링 소자 개발
2차원 소재로 양자 터널링 소자 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.03 09:30
  • 조회수 775
  • 댓글 0
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2차원 소재를 이용해 실리콘을 넘어서는 양자 터널링 소자 개발됐습니다. 성균관대학교 에너지과학과 정문석 교수와 오혜민 박사 연구팀이 2차원 적층시료의 표면을 제어해 부성미분저항(Negative differential resistance) 및 핫 캐리어 효과(Hot carrier effect)를 활용한 초저전력 및 고속 소자를 개발했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 <Nano letters>에 게재됐습니다. 

 

  • 양자 터널링 소자 : 양자역학적 공명 터널링 현상을 이용한 초전력 소자입니다. 
  • 부성미분저항 : 소자의 저항이 특정 영역에서 음수를 갖는 현상입니다.
  • 핫 캐리어 효과 : 반도체 트랜지스터의 사이즈가 작아지면서 채널의 길이도 짧아집니다. 이 경우 전계는 커지고 이동하는 전자는 높은 전계를 받아 이동성이 커지는데 이를 핫 캐리어라고 합니다. 
2차원 소재를 이용해 실리콘 넘어서는 양자터널링 소자 개발.출처: AdobeStock
2차원 소재를 이용해 실리콘 넘어서는 양자터널링 소자 개발.출처: AdobeStock

 

공진 특성에 주목하다

부성미분저항기반 공진 터널 소자의 개념도(왼쪽) 및 로컬게이트에 따른 전계 방향을 나타내는 전기특성 곡선(오른쪽). 출처: 성균관대학교
부성미분저항기반 공진 터널 소자의 개념도(왼쪽) 및 로컬게이트에 따른 전계 방향을 나타내는 전기특성 곡선(오른쪽). 출처: 성균관대학교

본 연구에 적용된 핵심 원리인 부성미분저항(Negative differential resistance)은 소자의 저항이 특정 영역에서 음의 값을 갖는, 즉 전압을 높이는데 전류는 오히려 감소하는 현상으로 에사키 레오나가 보고한 후 1973년 노벨 물리학상을 받았습니다. 이후 이를 활용한 다양한 소자가 소개된 바 있으나 기대에 미치지 못하는 공진 특성 때문에 다른 소자로 대체된 바 있습니다.

 

연구팀은 기존의 실리콘 기반 소자는 공진 특성에 한계가 있다는 이슈에 주목했습니다. 공진 특성이 더 우수한 것으로 알려진 2차원 소재를 활용하여 이를 극복하고자 노력했습니다. 연구팀은 로컬 게이트 전계 효과에 의한 시료의 표면 제어를 통해 기존 부성미분저항 소자 중 가장 우수한 공진 특성을 보이는 데 성공했습니다. 또한 열전자 효과를 통한 새로운 메커니즘의 광전자 소자를 제작하였다고 밝혔습니다. 정문석 교수는 "2차원 물질을 통해 실리콘 기반 소자의 한계를 뛰어넘은 중요한 연구로 차세대 소재를 이용하여 차세대 소자의 방향성을 제시했다"고 밝혔습니다.

 


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