신소재공학과

디지털 논리소자에 응용 가능한 p-type 그래핀 반도체 개발 

공과대학 신소재공학과 윤순길 교수 연구팀이 세계 최초로 무 전사 그래핀을 이용해 디지털 논리소자에 응용 가능한 p-type 그래핀 반도체 기술을 개발했다.

이번 연구 성과는 카본 분야 저명 국제 학술지 ‘Carbon’(IF: 10.9)에 온라인 게재됐다.

※ 논문 제목: Transfer-free p-type graphene field-effect transistors with high mobility and on/off ratio 

현재까지 전 세계 연구자들은 대 면적 그래핀을 디지털 논리소자(digital logic device)로 응용하기 위해 질소(N)와 보론(Boron) 도핑을 통한 반도체 특성 구현 연구를 진행해 왔으나, 모두 반도체 특성 구현에 실패했다.

이에 윤순길 교수 연구팀은 100℃에서 성장된 무 전사 그래핀을 아르곤 플라즈마로 카본체인을 끊어 카본 원자를 부분적으로 제거한 후, 연구실에서 고안한 Facing-Target-Sputtering(FTS, 스퍼터링 시 그래핀이 플라즈마로부터 데미지를 받지 않는 새로운 공법)을 이용해 보론(Boron)을 도핑했다. 

그 결과, 연구팀은 디지털 논리소자(digital logic device)에 적합한 p-type 반도체 특성의 대 면적 그래핀을 개발하는 데 성공했다.

대 면적 그래핀을 디지털 논리소자에 응용하려면 문턱전압에서 on/off 전류 비율이 최소 103 이상을 초과해야 하는데 윤순길 교수팀의 측정 결과, on/off가 ~105 이상이며, 홀 이동도도 매우 높은 ~290cm2/Vs임을 확인했다. 

또, 이번 p-type 그래핀 반도체 기술은 소자의 전력소비량을 줄이는 척도인 Subthreshold Swing(S.S)가 매우 낮은 수치인 약 ~70mV/dec.로 측정돼 소자 작동 시 전력 소비를 최소화하는 획기적 기술로 평가받았고, 국내 특허(10-2463561 (2022))에도 등록됐다. 

윤순길 교수는 “이번 연구 성과는 지금까지 얻지 못했던 반도체의 디지털 논리 소자에 응용이 가능해 규소(Si)를 대체할 수 있는 획기적 기술로서, 반도체뿐만 아니라 다양한 전도체 등에도 응용이 기대되는 기술로 평가 된다”며, “대 면적 제작과 재현성이 뛰어난 이번 기술을 바탕으로 관련 기업과 협력 연구를 수행하고 있어 그래핀의 영광 재현에 기여할 것으로 기대 된다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.