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(왼쪽부터) 지능형전자시스템전공 김봉준 교수, 백수진 학생

지능형전자시스템전공 김봉준 교수 연구팀이 프린팅 기법을 활용해 이차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂) 위에 p형 반도체를 적층하는 방식으로 양극성 트랜지스터를 구현했다. 연구팀은 이를 통해 상보성 인버터 회로 동작을 검증하며 디지털 논리 회로로의 응용 가능성도 제시했다. 

이번 연구는 홍익대 연구팀과의 공동 연구로 진행됐으며, 연구 결과는 2월 19일 국제전문학술지(SCIE) 'Scientific Reports'(IF: 3.9)에 게재됐다. 논문명: Ambipolar thin-film transistors and inverter circuits based on mixed-dimensional bilayer heterostructures

연구팀에 따르면 단일층 MoS₂는 n형 특성을 지닌 차세대 반도체 소재로 주목받고 있지만, 실제 반도체 회로에 응용하기 위해서는 p형 반도체 소재와 함께 집적돼야 한다. 대면 공정이 가능한 화학기상증착법(CVD)을 통해 합성된 MoS₂는 결정 크기가 커 재현성 있는 소자 제작에 유리하지만, 표면 피복률이 높아 p형 반도체와 함께 집적되려면 복잡한 공정이 요구된다는 한계가 있다. 

혼합차원 반도체 이종구조를 가진 양극성 트랜지스터와 인버터 회로의 전기적 특성

이에 연구팀은 MoS₂ 층 위에 p형 반도체 특성을 지닌 일차원 반도체 물질인 탄소 나노튜브층을 잉크젯 프린팅 방식으로 직접 적층했다. 그 결과 동일 소자 내에서 전압 조건에 따라 전자와 정공 수송이 모두 가능한 양극성 트랜지스터를 구현했다.

이 트랜지스터는 전자·정공 전류 특성이 균형을 이뤘으며, 양극성 채널을 공간적으로 선택 형성함으로써 복잡한 공정 없이 상보성 인버터 회로 구현에 성공했다. 이는 저차원 반도체 이종구조 기반 전자소자의 디지털 논리 회로 응용 가능성을 제시한 성과다. 

이번 연구에는 첨단소재·전자융합공학부 지능형전자시스템전공 22학번 백수진 학생이 제1저자로 참여했다. 백수진 학생은 "수업에서 배운 이론을 실제 연구에 적용하며 배운 점이 많았다"며 "지도해 주신 김봉준 교수님께 감사드리며, 이 경험을 바탕으로 차세대 반도체 소자 연구를 더욱 확장해 나가고 싶다"고 밝혔다. 

김봉준 교수는 "백수진 학생이 나노전자소자 연구실에서 2년여간 학부 연구생으로 수행한 연구 결과를 SCIE 저널에 게재해 큰 의미가 있다"며 "이번 결과가 저차원 반도체 물질과 그 물질들로 구성된 다양한 이종구조 기반 전자소자의 실질적 응용에 기여하기를 기대한다"고 말했다.