산화물절연체-산화아연 이종접합 소자 활용
<네이처 커뮤니케이션즈> 4월 13일자 논문 게재

물리학과 김영동 교수 연구팀이 투명 전자소자에 적용할 수 있는 투명한 초박막 다이오드 소재와 소자구조 개발에 참여했다. 연구팀은 이미 산업적으로 널리 사용되고 있는 산화물절연체(SiO₂)와 산화아연(ZnO)을 활용해 적은 비용과 간단한 공정으로 전기적 특성이 우수한 투명 다이오드 소자가 가능하게 했다. 연구 결과는 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 4월 13일자에 게재됐다.

“간단한 접합 구조로 산업화 가능성 커”
다이오드는 한 방향으로 전류를 흐르게 하는 소자로, 반도체의 핵심 부품이다. 최근에는 투명 디스플레이 등 새로운 광·전자나 디스플레이 기기 개발을 위한 투명 다이오드 연구가 활발히 진행되고 있다. 전통적인 방법에서는 투명한 P형 반도체와 N형 반도체를 조합한 PN접합 다이오드 연구가 대표적이다.

전류가 흐르기 위해서는 양극성질과 음극성질을 가진 반도체가 필요하다. 두 개의 다른 전극을 가진 반도체를 조합할 경우, 경계에 틈이 생기고 그 틈으로는 전류가 통과할 수 없기 때문에 하나의 반도체 물질이 양쪽에 두 개의 전극성질을 갖는 상태로 만든다. 그러나 대부분의 투명한 물질은 한쪽 극성만 선호하는 물성을 가졌기에 투명하면서도 전류를 흘릴 수 있는 두 개의 극성을 갖는 PN접합 다이오드는 지난한 연구 과정을 거치고 있는 실정이다.

연구팀은 ‘금속양극-산화물절연체-산화아연-금속음극’이라는 구조를 통해 PN접합 소자의 한계를 극복했다. 김영동 교수는 “투명 다이오드 소자를 개발하기 위해 투명하면서도 전류가 흐르는 물질을 찾다가 산화물절연체와 산화아연 접합에서 우수한 전기적 특성을 발견했다”면서 “이 소자는 기존에 널리 사용되고 있는 물질들의 간단한 접합 구조로 이뤄져 산업화 가능성이 매우 크다”고 설명했다.

산화물절연체-산화아연 이종접합 소자는 두께를 20∼200나노미터(nm·10억분의 1m)로 조정할 수 있고, 산화물절연체의 두께로 전기적 성능을 제어할 수 있어 초박막 투명 다이오드 소자로 활용될 수 있다. 연구팀은 이 소자를 이용해 전자소자의 전기적 충격을 예방할 수 있는 정전기 방지회로를 제작해 전자회로 부품 적용 가능성도 보여줬다.

이론적 근본 원리 규명 계획
김영동 교수 연구팀은 후속 연구로 산화물절연체-산화아연 이종접합 소자의 이론적 근본 원리의 물리학적 규명을 위해 노력하고 있다. “산화물절연체-산화아연 이종접합 소자의 전기적 특성 등을 확인하고, 동작원리에 대한 가설은 제시했으나, 이 현상에 대한 보다 근본적이고 확실한 이해는 아직 부족하다”고 전한 김 교수는 “근본 원리를 알게 되면 더 다양한 물질들에 대한 탐색과 응용이 가능하다”면서 “상용화를 위해 근본 원리를 밝혀낼 것”이라고 말했다. 이외에도 그는 ‘차원물성’이라는 새로운 개념을 연구하고 있다. 복잡한 반도체 소자에서 소자의 각 부분들이 만나는 경계면에서의 차원특성을 연구함으로써 새로운 반도체 소자 개념을 제시하는 등 급변하는 시장 환경에 적합한 새로운 소자 개발 연구를 지속할 계획이다. 

이번 연구는 경희대학교 물리학과에서 학·석사를 마치고, 현재 서울대 융합과학기술대학원 박사과정에 재학 중인 이응규 학생의 주도로 김연상 교수팀에서 진행됐다. 물리학과 박용섭 교수팀도 공동으로 참여했다.