트랜지스터를 위한 새로운 박막 필름 재료 개발

그래핀(grapheme)이나 이황화몰리브뎀(molybdenum disulfide)과 같은 박막 재료들은 플렉서블한 전기장치를 만드는데 있어서 필수적이다. 하지만, 지금까지 어떤 재료들도 실리콘(silicon)과 경쟁할 정도의 전기적 속성을 지니지 못했다. 이제 일련의 연구자들이 흑린(black phosphorus) 박막 필름이 많은 통신 기기에서 발견되는 요소인 라디오 주파수 트랜지스터(radio frequency transistor)를 만드는데 이용될 수 있다는 사실을 발견했다[Nano Lett. 2014, DOI: 10.1021/nl5029717].

상온에서 가장 안정적인 원소인 흑린은 그라파이트(graphite)가 주름지어 있는 형태를 나타낸다. 흑린은 오랜 시간 동안 알려져 있었지만, 올해 처음으로 이들을 전기재료로 이용하기 위한 연구가 시작되었다. 사우스캘리포니아대(University of Southern California)의 전기공학자인 Han Wang은 흑린에 대해 흥미를 느꼈는데, 그 이유는 다른 이차원재료와 달리 이들은 밴드갭(band gap)을 가지고 있으며 전하를 꽤 잘 전도한다는 특징을 지니고 있기 때문이다.

밴드갭을 지니고 있는 재료는 전도와 절연 상태를 스위칭할 수 있다. 이러한 특징은 트랜지스터가 off 상태일 때 전력 소모를 줄일 수 있으며 양질의 신호를 제공할 수 있다. 높은 전하이동성(charge mobility)을 지닌 물질은 전하를 잘 전도하며 이들로 만들어진 트랜지스터는 빠르게 on, off될 수 있다. 그래핀(Graphene)은 밴드갭이 없지만 이들은 높은 전하이동성을 지니고 있다. 반대로 이항화 몰리브데늄(molybdenum disulfide)과 같은 2D 재료들은 밴드갭을 지니고 있지만 전하 이동성이 매우 낮다.

자신들과 다른 연구자들이 최근 그 재료에 대해 연구한 결과를 토대로, 예일대(Yale University)의 Wang, Fengnian Xia와 동료 연구자들은 흑린으로 이루어진 트랜지스터를 개발했다. 이 트랜지스터는 기가헤르츠(gigahertz) 범위에서 작동할 수 있으며 1초에 200억번 on, off를 반복할 수 있다. 이들의 성능은 핸드폰 등에서 발견되는 라디오 주파수 통신에서 이용되는 트랜지스터의 성능과 유사하다. 이 트랜지스터들은 실리콘으로 이루어져 있는 것들이다.

트랜지스터를 만들기 위해 연구자들은 기계적으로 부피가 큰 흑린을 조각냈다. 그들은 6~10 나노미터 정도의 두께를 지닌 조각을 선택해 이들을 이산화실리콘(silicon dioxide)으로 토핑된 실리콘 웨이퍼(wafer) 위에 두었다. 트랜지스터를 완성하기 위해, 연구자들은 금속 전극과 게이트를 만들기 위해 필요한 일반적인 방법을 이용했다. 이 새로운 트랜지스터는 매우 커 약 300나노미터 정도의 너비를 지니고 있다. 연구팀이 수행한 시뮬레이션에 의하면 이 트랜지스터는 이들의 두께가 50나노미터나 그 이하로 떨어지게 되면 100GHz에서도 작동할 수 있을 것으로 보인다.

Wang은 이에 대해 "흑린 전기장치를 개발하는 데는 아직 많은 연구가 필요하다. 예를 들어 연구자들은 이들을 대면적 박막 필름으로 만들 수 있는 방법을 개발해야 한다"고 말했다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 트랜지스터를 위한 새로운 박막 필름 재료 개발