많은 산업계에서는 섭씨 200도가 넘는 높은 온도와 같은 가혹한 조건에서도 신뢰성을 유지하며 사용할 수 있는 전자기기를 필요로 하고 있다. 항공우주 분야에서 터빈 엔진 조절이나, 석유화학 및 천연가스 산업에서 시추를 위한 전자기기 혹은 센서와 같은 분야가 예가 될 수 있다. 비록 기존의 냉각 시스템이 고온에서 전자기기의 기능을 도와줄 수 있지만, 어떤 경우에는 냉각이 불가능할 수도 있기 때문에 시스템의 신뢰성 향상과 원가절감이라는 측면에서 고온용 전자기기에 대한 필요성이 증가하고 있다. 그러나 고온용 트랜지스터 및 회로의 유효성은 매우 제한적이다.

캘리포니아 대학(University of California, Riverside) 및 런셀러 폴리테크닉 대학(Rensselaer Polytechnic Institute, RPI)의 연구팀은, 반도체 물질인 MoS2(molybdenum disulfide)가 고온에 활용할 수 있는 박막 트랜지스터(thin-film transistor) 제조를 가능하게 하는 후보물질임을 발견하였다. Journal of Applied Physics에 게재한 논문에서, 연구팀은 MoS2 박막 트랜지스터의 제조방법 및 고온에서의 기능적 성능에 대해 소개하고 있으며, 고온 전자기기를 위한 물질의 가능성을 보여주고 있다.

캘리포니아대학 전기 및 컴퓨터공학과 교수이자 본 연구팀을 이끈 Alexander Balandin은, 본 연구를 통해 MoS2 박막 트랜지스터가 최소한 500K (섭씨 220도)의 고온에서도 기능을 유지함을 보여주었다고 밝혔다. 또한 이 트랜지스터는 2달의 에이징(aging) 후에도 안정적인 가동이 가능했으며, 이는 MoS2가 매우 높은 온도에서 사용되는 전자기기 및 센서의 박막 트랜지스터로의 가능성을 시사하는 것이라고 강조하였다.

Mos2의 광물질인 몰리브데나이트(molybdenite)는 풍부할 뿐만 아니라 자연적으로 생성되는 물질로, 보통 윤활제의 첨가제로 사용되고 있다. 화학기상증착(chemical vapor deposition) 법으로 합성되는 MoS2는 유연한 박막 트랜지스터 제조에 유망한 물질로 밝혀졌으며, 이런 유연한 기기는 수도꼭지처럼 전자 및 전류의 흐름을 조절할 수 있다.

Balandin에 따르면, MoS2는 반데르발스(van der Waals) 물질이라고 불리는 군에 속한다. 이 물질은 원자층이 약하게 상호 결합하고 있는 적층형의 결정 구조를 특징적으로 가진다. 원자층 간의 이런 약한 결합은 이 물질이 층층이 박리되는 것이 가능하도록 하며, 마치 흑연 덩어리에서 얇은 그래핀 시트를 얻어내는 공정과 유사하다. 또한 적층형 구조는 매우 얇고 품질이 우수해서 산업적 규모에서는 화학기상증착을 통해서도 생산될 수 있다.

비록 기존의 질화갈륨(gallium nitride) 혹은 실리콘 카바이드(silicon carbide)와 같은 넓은 밴드갭 반도체로 만들어진 기기가 사용가능한 온도범위를 확장하고는 있지만, 여전히 대량 생산에는 아직 비용-효과적이지 못하다. 단일층 MoS2는 1.9eV의 밴드갭을 가지며, 이것은 실리콘 및 갈륨비소(gallium arsenide)의 경우보다 더 크다. 밴드갭이 더 크다는 뜻은, 트랜지스터 가동의 핵심 성질인 이 기기의 온-오프가 더 용이하다는 의미이다. 

MoS2는 최근 많은 관심을 끌고 있지만, Balandin의 연구팀은 고온 전자기기에 이 물질의 활용성을 조사한 최초의 연구팀이다.

클린룸(clean room) 환경에서 표준적으로 사용되는 리소그래피(lithography) 기술을 사용하며, 연구팀은 실리콘 기질 상에 MoS2를 성장시켰다. 일부는 단지 몇 개 층(1∼3)으로만 이루어졌으며, 일부는 더 많은 층(15∼18)으로 이루어졌다. 상대적으로 두꺼운 필름은 열적으로 더 안정적이었으며, 고온에서 더 높은 이동도(mobility)를 나타내었다.

일정한 전압 혹은 전류를 상대적으로 오랜 시간 동안 기기에 적용하는 기술인 직류전류계측법(direct current measurement)을 통해, 연구팀은 제조된 트랜지스터의 300K∼550K 구간에서의 전류-전압 특성 혹은 기능을 분석하였다. 그 결과 성능은 다르게 나타났지만 온도가 증가함에도 기능을 유지하는 것으로 나타났다.

이동도 및 임계전압(threshold voltage) 모두 온도에 따라 감소하는 경향을 보였다. 이동도의 감소는 기기의 채널을 통과하는 전류의 감소를 의미하며, 임계전압의 감소는 전류의 증가를 의미한다. 따라서, 온도 증가에 다른 전류의 정확한 거동은 감소되는 이동도와 임계전압의 상호작용에 의존하게 된다.

연구팀이 발견한 흥미로운 또 다른 특징은, 450K보다 높은 온도에서 전압이 제로가 되는 전류-전압 그래프의 뒤틀림이다. 이 메모리 효과는 그래핀 트랜지스터 등에서 관찰되는 현상과 유사하며, 이 물질이 고온용 센서에서 사용될 수 있음을 암시하는 것이다.

Balandin에 따르면, 고온에서의 센서 및 회로를 조절하기 위한 MoS2 트랜지스터의 실용적 활용을 위해서는 한 달 이상을 기능해야 한다. 두 달 연구를 통해, 노후화된 기기는 안정적인 사용할 수 있으며 더 높은 임계전압, 낮은 이동도 및 이동도의 온도에 대한 낮은 의존성이라는 특성을 보이는 것으로 나타났다.

연구팀은 향후 화학기상증착과 같은 산업적 방법을 사용해 제조된 MoS2 트랜지스터 및 회로의 고온 기능에 대해 연구할 계획이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』