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  • 2차원 반도체 속의 전하 캐리어 제어등록일 : 2015/12/15
  • 적층형 2차원 전이 금속 칼코겐화물은 다양한 전기적 및 광전기적 분야에 유망하게 적용될 수 있다. 이런 원자적으로 매우 얇은 반도체의 잠재력을 활용하기 위해서는 밴드갭과 전기적 특성들을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 이것은 이러한 시스템을 적용하기 어렵게 한다. 미국, 호주, 중국 연구진은 다양한 합금 조성을 가진 p 타입 및 n 타입 2차원 재료로부터 새로운 합금을 생성하는데 성공했다.

    캘리포니아 대학의 로스앤젤레스 캠퍼스(University of California at Los Angeles)와 후난 대학(Hunan University)의 연구진은 텅스텐 황화물(WS2)과 텅스텐 셀레나이드(WSe2)의 합금을 조사했다. 이것은 칼코겐화물의 일종이다. 이런 적층형 반도체성 박막들은 MX2라는 화학식을 가지고 있다. 여기서 M은 전이금속(Mo 또는 W)이고 X는 칼코겐(S, Se, Te)이다. 이런 박막은 저전력 전자소자, 저렴하고 플렉서블한 디스플레이, 센서, 다양한 표면 위에 코팅될 수 있는 플렉서블 전자소자를 위한 회로를 만드는데 사용될 수 있을 것이다.

    단일층 이하로 축소될 때, 이런 재료들은 빛을 효율적으로 흡수하고 방출하는 직접 밴드갭 반도체로 변한다. 이것은 그들이 광발광 다이오드와 광검출기와 같은 다양한 광전자소자에 매우 유용하게 적용될 수 있게 한다. 직접 밴드갭을 가짐으로써, 직접 밴드갭을 가진 광전자장치와 포토닉스 장치를 더 쉽게 만들 수 있는 장점을 가진다.

    이런 장점들을 활용하기 위해서, 이번 연구진은 이런 재료 속의 밴드갭과 전하 캐리어(전자와 홀)를 정밀하게 제어할 필요가 있다. 과학자들은 벌크 반도체 격자 속에 제어된 수의 불순물 원자를 의도적으로 도입함으로써 이것을 가능하게 했다. 그러나 이런 방법은 2차원 전이금속 칼코겐화물 결정에서는 잘 기능하지 않는다.

    가변적인 조성을 가진 합금
    현재, 이번 연구진은 가변적인 조성을 가진 p-형 WSe2와 n-형 WS2가 혼합된 합금을 생성함으로써 이런 문제를 극복할 수 있다는 것을 증명했다. “우리는 완전히 조율 가능한 화학적 조성과 광학적 특성들을 가진 일련의 WS2xSe2-2x 합금 나노시트를 만들었다”고 Duan이 말했다. “우리의 광학적 연구들은 합금 조성에 따라서 밴드갭이 변화된다는 것을 보여주고 있고, 이런 합금으로 만들어진 백-게이트 전계 효과 트랜지스터를 사용했을 때, 합금 나노시트 트랜지스터의 전하 캐리어 유형과 임계 전압이 합금 조성을 변화시킴으로써 지속적으로 변화될 수 있다는 것을 밝혀내었다”고 Duan이 덧붙였다. 

    이번 연구진은 셀레늄이 풍부한 합금에서 p-형 동작을 가진다는 것을 확인했다. 이것은 황 원자 비율에 따라서 약간의 p-형에서 약간의 n-형으로 점차적으로 변환된다. 마지막으로, 이것은 황이 풍부한 n-형으로 변환된다.

    WS2xSe2-2x 나노시트를 합성하는 것은 제어된 특성을 가진 2차원 전자소자를 합리적으로 디자인하는데 중요하다. “예를 들어, 조율 가능한 임계 전압을 가진 트랜지스터는 기능적인 상보성 논리 회로를 만드는데 필수적이다. 그리고 전하 캐리어 유형과 밴드갭을 제어하는 것은 조율 가능한 스펙트럼 반응을 가진 포토다이오드와 LED와 같은 광전자소자에도 중요한 영향을 끼친다.”  

    이것은 합금 나노시트의 원자 크기 구조를 더 잘 이해하고 집적 회로를 위한 대면적 합금 시트를 성장시킬 수 있게 한다. “우리는 상보성 회로 및 헤테로구조 장치를 만들기 위한 합금 조성을 공간적으로 제어해서 합금 나노시트를 성장시킬 계획을 가지고 있다”고 Duan이 말했다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Synthesis of WS2xSe2–2x Alloy Nanosheets with Composition-Tunable Electronic Properties”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03662).

    그림. 텅스텐 황화물 및 텅스텐 셀레나이드 합금.
  • 키워드 : 합금, 반도체, 전하 캐리어
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑