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숙명여자대학교 연구처 · 산학협력단

숙명여자대학교 응용물리학과 주민규 교수 연구팀이 단일 2차원 반도체인 다층 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에서 전기적 바이어스 이력을 이용해 고성능 음의 미분 저항(Negative Differential Resistance, NDR)을 구현했다. 서로 다른 반도체를 결합하는 복잡한 이종접합 없이 높은 피크-밸리 전류비(Peak-to-Valley Current Ratio, PVCR)와 높은 전류를 동시에 구현해 차세대 다치 논리(Multivalued Logic, MVL) 소자 응용 가능성을 제시했다.

이번 연구는 주민규 교수 연구팀과 같은 과 고창현 교수 연구팀, 그리고 프랑스 국립과학연구센터(CNRS) CROMA 연구소의 Alessandro Cresti 박사, Christoforos Theodorou 박사와의 공동연구로 수행됐으며, 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS Nano’에 게재 승인됐다.

(논문명: Bias-History-Driven Negative Differential Resistance in Heterojunction-Free WSe2 Multilayers)

음의 미분 저항은 전압이 증가하는 특정 구간에서 전류가 오히려 감소하는 비선형 전기적 현상이다. 이러한 특성은 하나의 소자에서 여러 논리 상태를 구현하는 다치 논리 회로를 비롯해 메모리와 고주파 발진기 등 차세대 전자소자에 활용될 수 있다.

기존 2차원 반도체 기반 음의 미분 저항 소자는 주로 서로 다른 반도체를 적층한 이종접합이나 정밀하게 설계된 터널링 장벽을 적용할 수 있는 구조를 적용해왔다. 그러나 이러한 방식은 서로 다른 물질 사이의 계면 특성을 정밀하게 제어해야 하며, 소자 구조와 제작 공정이 복잡해지는 한계가 있다.

주민규 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 단일 WSe2 다층 반도체에서 이전에 인가된 게이트 전압의 영향을 일정 시간 유지하는 ‘바이어스 이력 의존적 비평형 전하 상태’에 주목했다. 반대 극성의 게이트 전압을 미리 인가한 뒤 극성을 전환하면 WSe2 다층 구조 내부에 비평형 전하 분포가 형성되며, 이후 드레인 전압에 따라 전하가 재분포하는 과정에서 일시적인 추가 전류가 발생해 음의 미분 저항이 나타나는 것을 확인했다.

연구팀은 게이트 전압의 크기와 인가 시간, 측정 속도 및 대기 시간을 체계적으로 변화시키면서 비평형 전하 상태의 형성과 이완이 음의 미분 저항 특성을 결정한다는 것을 확인했다. 특히 반대 극성의 게이트 전압을 인가한 직후에는 강한 음의 미분 저항이 나타나는 반면, 시간이 지나 비평형 상태가 이완되면 이러한 특성이 크게 감소하는 것을 관측했다.

또한 WSe2 표면을 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate, PMMA)로 보호해 표면 전기적 환경을 안정화한 결과, 상온에서 최대 42.9의 피크-밸리 전류비와 280.8 μA/μm의 폭 정규화 피크 전류를 구현했다. 이는 복잡한 이종접합 없이 단일 2차원 반도체 다층 구조만으로 높은 전류와 큰 음의 미분 저항 특성을 동시에 구현할 수 있음을 보여준다.

주민규 교수는 “이번 연구는 서로 다른 반도체 물질을 접합하지 않고도 단일 2차원 반도체 내부의 비평형 전하 분포와 그 이력을 전기적으로 제어해 고성능 음의 미분 저항을 구현할 수 있음을 보여준 결과”라며 “향후 소자 구조와 전기적 제어 방식을 최적화하면 다치 논리와 저전력 정보처리를 위한 차세대 전자소자로 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구에는 응용물리학과 심은지 학생이 제1저자로 참여했으며, 성수인, 정유정 학생과 고창현 교수, 프랑스 국립과학연구센터(CNRS) CROMA 연구소의 Alessandro Cresti 박사와 Christoforos Theodorou 박사가 공동으로 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 한국연구재단과 프랑스 정부가 공동 지원하는 한-프랑스 국제협력 PHC STAR 프로그램, 교육부와 서울특별시가 지원하는 서울 ANCHOR 센터 사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, Semi Otter Edu Corporation과 공동으로 진행됐다.