한국표준과학연구원(KRISS)이 에너지 손실은 최소화하면서 극한 환경에서도 작동할 수 있는 고성능 2차원 다이오드를 개발했다.

KRISS 양자기술연구소 정수용 책임연구원팀은 기존 p형과 n형 반도체 결합 방식에서 탈피, 2차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)만을 사용해 수직형 다이오드를 구현하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈에 지난달 논문으로 게재됐다.

이번 기술은 기존 2차원 소자의 문제점을 개선해 뛰어난 성능과 안정성을 가지며 특히 단일면적당 전하수송 능력을 의미하는 전류밀도에 있어 세계 최고 수준을 자랑한다.

연구팀은 대표적 2차원 층상 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)만을 이용해 안정적인 고성능 다이오드를 구현했다. 기존 방식이 p형과 n형으로 도핑된 다른 물질을 접합시켰다면, 이번 기술은 도핑 현상을 이용해 WSe2 물질의 양 끝단에 p형과 n형의 특성을 유도한 것이다.

연구팀이 개발한 수직 다이오드의 p 영역과 n 영역 사이엔 WSe2 본연의 성질을 지닌 절연층이 샌드위치처럼 들어가 있다. 소자 제작시 이 절연층의 길이, 즉 박막 두께를 조절하면 다양한 장점을 갖는 다이오드로 응용할 수 있다.

또다른 장점은 다이오드의 전하수송 원리가 양자 터널링 현상을 기반으로 한다는 것이다. 소자 구동 속도의 증가를 기대할 수 있어 초고속 전자소자에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

정 책임연구원은 “극고온·극저온·초고압 등의 극한 환경에서도 견딜 수 있는 초소형 소자에 활용할 수 있으며 에너지 손실을 최소화할 수 있어 태양전지나 광원 검출기와 같은 미래 산업에서도 활용성이 높다”고 말했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com