숙명여대 응용물리학과 주민규 교수(왼쪽 사진), 심은지 학생.
숙명여자대학교(총장 문시연)는 응용물리학과 주민규 교수 연구팀이 단일 2차원 반도체 소재에서 전압을 가한 이력을 활용해 고성능 음의 미분 저항(NDR)을 구현했다고 11월 12일 밝혔다. 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’에 게재가 승인됐다.
이번 연구는 주민규 교수 연구팀과 같은 학과 고창현 교수 연구팀, 프랑스 국립과학연구센터(CNRS) CROMA 연구소 연구진이 공동으로 수행했다.
음의 미분 저항은 전압이 증가하는 특정 구간에서 전류가 오히려 감소하는 현상이다. 하나의 소자에서 여러 논리 상태를 구현하는 다치 논리 회로와 메모리, 고주파 발진기 등에 활용할 수 있다.
기존 2차원 반도체 기반 음의 미분 저항 소자는 주로 서로 다른 반도체를 결합하거나 전자의 이동을 제어하는 장벽을 정밀하게 설계하는 방식으로 제작됐다. 이 때문에 물질 간 접합부를 제어해야 하고 제작 공정이 복잡하다는 한계가 있었다.
연구팀은 단일 소재인 다층 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에 이전에 가한 전압의 영향이 일정 시간 남는 현상에 주목했다. 서로 반대 방향의 게이트 전압을 차례로 가하면 반도체 내부의 전하 분포가 변화하고, 이후 전압을 높이는 과정에서 전류가 감소하는 음의 미분 저항 현상이 나타나는 것을 확인했다.
연구팀은 전압의 크기와 인가 시간, 측정 속도 등을 조절해 전하 상태의 변화가 음의 미분 저항 특성에 미치는 영향도 분석했다. 반대 방향의 전압을 가한 직후에는 해당 현상이 뚜렷하게 나타났지만, 시간이 지나면서 전하 상태가 안정되면 현상이 약해지는 것으로 확인됐다.
또한 반도체 표면을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 보호해 전기적 환경을 안정화한 결과, 상온에서 최대 42.9의 피크-밸리 전류비(PVCR)와 폭 정규화 피크 전류 280.8μA/μm를 구현했다. 피크-밸리 전류비는 전류가 가장 높을 때와 낮을 때의 비율로, 음의 미분 저항 소자의 성능을 나타내는 지표다.
주민규 교수는 “이번 연구는 서로 다른 반도체 물질을 접합하지 않고도 단일 2차원 반도체 내부의 비평형 전하 분포와 그 이력을 전기적으로 제어해 고성능 음의 미분 저항을 구현할 수 있음을 보여준 결과”라며 “향후 소자 구조와 전기적 제어 방식을 최적화하면 다치 논리와 저전력 정보처리를 위한 차세대 전자소자로 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 논문에는 심은지 숙명여대 응용물리학과 학생이 제1저자로 참여했다. 성수인·정유정 학생과 고창현 교수, 프랑스 국립과학연구센터의 알레산드로 크레스티(Alessandro Cresti)·크리스토포로스 테오도로우(Christoforos Theodorou) 박사 등도 공동연구에 참여했다.
한편 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 한·프랑스 국제협력 PHC STAR 프로그램, 서울 ANCHOR 센터 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.