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연세대학교 임성일 교수(물리학과) 연구팀이 차세대 반도체에 그래핀 전극을 적용해 밀리미터파 영역의 220 GHz 고주파 쇼트키 정류소자를 개발했다. 연구 결과는 세계적 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 7월 19일 게재됐다.

현재까지 연구된 대부분의 2차원 층상형 나노 소재 기반 전자소자는 원자층 두께의 채널을 이용하는 수평형 반도체소자로, 기존 실리콘 트랜지스터 소자의 문제를 해결해 기존 소자들을 교체하려는 목적으로 연구됐다. 하지만 초고속 동작을 위한 기생 저항과 정전용량을 동시에 최소화하지 못했다.

이를 해결하기 위해 임성일 교수 연구팀은 수평구조가 아닌 수직 다이오드 구조로 실험을 설계했다. 백금과 2차원 층상형 나노 소재인 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)의 상층 쇼트키 접합을 이용했고, 하부의 오믹 접합부에 단일층 그래핀을 삽입해 소자를 제작했다. 그 결과, 220GHz의 차단주파수를 가지는 6세대(6G) 초고주파 쇼트키 다이오드가 구현됐다.

또한, 연구 과정에서 해당 소자의 그래핀 층이 고주파 환경하에서 전하 조절 능력을 상실하는 현상을 세계 최초로 발견했다. 이는 그래핀의 양자 캐패시턴스로 기인한 RC 지연 현상으로 설명되며, 연구팀은 소자의 저항과 정전용량 성분이 동시에 감소하는 결과를 확인했다.

수직구조에서 상부의 백금(Pt), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 접합은 쇼트키 접합 특성을 보이지만, 하부의 단일층 그래핀, 금(Au) 접합은 이셀레늄화몰리브덴과 금 사이에 페르미준위의 차이가 커도 오믹 접합 특성을 보인다. 이는 그래핀의 전하조절 능력에 기인한다.

그러나 GHz 이상의 고주파수 환경하에서는 그래핀의 양자 커패시턴스에 의해 생기는 RC 지연으로 인해 신호의 주기 내에 충분한 양의 전자가 단일층 그래핀에 축적되지 않는 현상이 일어난다. 이로 인해 그래핀의 전하조절 능력이 저하되어 이셀레늄화몰리브덴, 단일층 그래핀, 금 접합은 오믹 접합 기능을 상실하고 페르미준위 고정현상이 없는 이상적인 쇼트키 접합이 된다.

그 결과, 단일층 그래핀, 금과 접촉한 이셀레늄화몰리브덴에 저주파 환경에서는 존재하지 않던 추가적인 공핍층(depletion layer)이 형성됐고, 소자의 직렬저항(series resistance)과 접합 정전용량이 동시에 극적으로 감소했다. 이로 인해 소자의 차단주파수는 기존의 다이오드에 비해 10배 이상으로 대폭 증가했다.

본 쇼트키 다이오드는 40GHz에서 약 50Ω의 작은 접촉저항, 수십 fF의 작은 정전용량만을 허용했고, 최대 220GHz의 초고속 차단주파수를 보여줬다. 2차원 층상형 소재 기반 초고주파 다이오드 중에서는 세계 최고의 값이다.

연구팀은 “본 연구를 통해 초고주파 다이오드를 이용하여 주파수 혼합기 회로를 제작할 수 있었다.”며, “해당 소자는 5-6세대 통신, 밀리미터파 통신 등 차세대 통신에 실용적으로 사용될 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 선도연구센터지원사업(SRC)과 박사과정생 연구장려금사업의 지원을 받아 홍성재(제1저자), 연세대 전기전자공학부 육종관 교수(제2교신저자) 및 물리학과 김관표 교수가 협력해 연구한 결과이다.

* 자료 제공 : 연세대학교

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