3-5족 나노선 기반 응용 소자 개발 연구의 새로운 영역 개척

건국대 연구팀이 노르웨이 과학기술대학 연구팀과 함께 단일 나노선에 기반해 효율이 높으면서도 낮은 전압에서도 작동하는 응용 소자 개발에 성공했다.

건국대 물리학부 이상욱 교수 연구팀은 노르웨이 과학기술대학 (Norwegian Univeristy of Science and technology, NTNU) 헬게 베만 교수 (Prof. Helge Weman), 김동철 교수 연구팀과 함께 갈륨비소안티몬 나노선(GaAsSb Nanowire)에서 나타나는 정류 현상에 대한 원인을 규명하고, 이를 바탕으로 고효율 광검출 소자 및 저전압 논리 소자를 구현했다고 밝혔다.

이번 연구는 복잡한 구조와 추가 공정 없이 나노선 자체에 형성된 특성으로 전자 소자를 구현 할 수 있음을 보여주는 것으로 나노선 기반 응용 소자 개발 연구의 새로운 영역을 개척했다는 평가를 받고 있다.

이번 연구결과는 나노 기술 분야의 세계적 권위의 국제학술지인 ‘나노레터스 (Nano Letters)’(영향력 지수(IF) 12.94 )온라인판에 최근 게재됐다. 이번 연구는 미래창조과학부의 중견연구자지원사업과 한국연구재단 국제공동연구사업의 지원으로 이뤄졌다.

건국대 연구팀은 3중의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노선으로써, 자기 자신을 촉매로 사용하는 기체-액체-고체 방식으로 성장시킨 순수한 결정구조의 갈륨비소안티몬 나노선에서 나타나는 정류 현상의 원인이 안티몬 결함에 의해 생성되는 전하의 농도가 축 방향에 따라 연속적으로 변화하기 때문이라는 사실을 처음으로 규명했다.

이와 같이 비균일한 전하 농도를 가진 3중의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 나노선들은 몇몇 알려져 있었지만, 이번 연구에서처럼 광검출 소자나 논리 소자 등, 여러 전자 소자에 응용할 수 있는 가능성을 보여줌으로써 나노선의 정류 효과를 활용할 방안을 명확히 제시한 사례는 드물다.

연구팀은 전기적인 측정과 라만 분광학을 이용하여 갈륨비소안티몬 나노선의 위치에 따른 전하 농도를 정밀하게 계산한 결과, 전하 농도가 나노선의 축 방향을 따라 선형적으로 변화할 뿐 아니라 나노선 양 끝 부분의 전하 농도 차이가 최대 100배에 이르는 것을 확인했다.

단일한 나노선의 전하 농도가 위치에 따라 선형적으로 변화하기 때문에, 다른 추가적인 공정 없이 단순히 나노선 양쪽 끝에 동일한 전극을 형성하더라도 각 전극 접촉 부위에서 형성되는 쇼트키 장벽이 서로 다른 값을 가져 마치 다이오드처럼 구동하는 소자를 만들 수 있었다. 이 소자는 다른 나노 전자 소자나 방사상의 p-n 접합 나노선 다이오드 혹은 그래핀-실리콘 접합 다이오드와도 견줄만한 큰 정류비를 보여주었다.
 
반도체 나노선은 나노 전자 및 광학 소자 그리고 태양전지 등에 응용될 수 있을 것으로 여겨져 왔으나, 이와 같은 나노선 기반 전자 소자를 실제로 형성하기 위해서는 나노선의 축 방향 혹은 수직한 방사상의 도핑을 형성하는 복잡한 성장 방식이나 비대칭 접촉이나 또는 게이트 구조를 필요로 하는 소자 제작 공정을 요구하는 것이 일반적이었다.

또한 나노선을 이용한 소자 제작 기술이 기존의 벌크형태나 얇은 필름 형태의 물질을 기반으로 소자를 제작하는 기술보다 뒤쳐져 있다. 이러한 요소들로 인해 지금껏 나노선의 잠재적인 응용 가능성을 실현하는 것이 현실적으로 쉽지 않은 상황이었다.

이번 연구를 주도한 노르웨이 과학기술대학 소속 허정환 박사와 공동 저자로 참여한 건국대 물리학부 박사과정 윤호열 학생은 “이번 연구는 복잡한 구조와 추가 공정 없이 나노선 자체에 형성된 특성으로 전자 소자를 구현 할 수 있음을 보여주었다는데 의미가 있다”며 “실리콘 기판 위에서 귀금속 촉매 없이 나노선을 성장 시키는 방법을 사용했기 때문에 기존의 반도체 공정에 대한 적합성이 우수하다”고 설명했다.

연구팀은 이 나노선의 특성을 이용한 응용 연구의 가능성을 보여주기 위해 광검출 소자 및 논리 회로 소자를 제작하고 그 성능을 확인했다. 광검출 소자의 경우, 광반응성 값이 일반적인 갈륨비소 나노선 광검출 소자보다 무려 4만 8,000배 높았으며, 최근 발표된 갈륨비소-알루미늄갈륨비소 이중겹 구조를 가진 나노선을 이용한 광검출 소자와 비교해 보아도 약 2,500배가량 크다는 사실을 확인했다.

또 두 개의 나노선을 이용하여, 두 개의 다이오드로 이루어진 OR 게이트 및 AND 게이트 소자를 만들어 낮은 전압 범위에서 0과 1의 논리값을 명확하게 구현할 수 있을 뿐 아니라 나노선 위에 전극을 비대칭적으로 형성하여 만드는 쇼트키 접촉 기반 나노선 소자의 성능과 비교해도 손색이 없음을 알 수 있었다.

이처럼 단일 나노선에 간단한 소자 제작 공정을 적용하여 높은 성능을 가진 응용 소자 제작이 가능함을 보여주었다는 점에서 주목할 만한 성과를 이룬 것으로 평가됐다.

이번 연구를 기획한 건국대 물리학부 이상욱 교수와 노르웨이 과학기술대학 김동철 교수 연구 그룹은 연구결과를 기반으로 반도체 나노선 및 저차원 나노구조의 접합구조를 제작하고 이를 통해 새로운 개념의 반도체 소자 개발에 응용하기 위한 후속 연구를 진행하고 있다.