KBSI, 고효율 NDR 소자 개발...차세대 전자회로 상용화 탄력

기사내용 요약
가천대와 공동연구로 산화아연-실리콘 반도체 접합 기반 NDR 원리 규명
기존 소자 전류레벨 대비 1000배 개선…용액공정 활용해 수율 100% 확보

[대전=뉴시스] 산화아연 나노입자-실리콘 반도체 접합 기반 NDR 소자 모식도 및 전자 현미경을 이용한 소자 구조 측정결과. 산화아연 나노입자의 에너지 상태를 분석한 결과, 순방향 전압이 인가되면 전류가 감소하는 형태의 NDR 현상(붉은색 원)이 확인됐다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 음성미분저항(NDR)을 효과적으로 구현할 수 있는 고효율 소자기술을 개발해 지능형 스위칭 소자 상용화에 탄력이 예상된다.

음성미분저항(NDR)은 전압이 증가해도 전류가 감소하는 독특한 물리적 현상으로, 전압이 증가하면 전류가 증가하는 일반적인 전류 흐름(옴의 법칙)과 상반돼 NDR에서 저항은 오히려 전기를 생산하게 된다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 윤형중 박사 연구팀이 가천대학교 전자공학과 유호천 교수 연구팀과 공동으로 n형 반도체 물질인 산화아연의 나노입자 결정 구조를 조절해 p형 반도체 물질인 실리콘과 접합한 'p-n 접합 NDR 반도체 소자' 구현에 성공했다고 25일 밝혔다.

NDR은 전압이 증가함에도 전류가 감소하는 독특한 현상으로, 고농도 p-n 접합에서 나타나는 양자 터널링(tunneling·매우 작은 입자가 갖는 파동 성질을 이용해 자신의 에너지 보다 높은 에너지 장벽을 통과하는 현상) 효과에 기인한다.

특정 전압 조건에서 전기신호의 힘을 조절할 수 있는 고유의 스위칭 특성으로 NDR은 차세대 전자회로 분야 핵심기술로 주목받고 있다.

최근 2차원 소재를 활용해 NDR 소자를 개발하고 있지만 대면적으로 만들기 어렵고 제작과정이 복잡하며 초저온 환경 등 특성 발현을 위한 작동 조건이 제한적이다.

또 기존 NDR 소자들은 나노 암페어 수준으로 전기신호가 매우 미미해 상용화에 어려움이 컸다.

이번에 공동 연구팀은 산화아연과 실리콘을 접합한 형태의 NDR 소자를 고안했다. 산화아연 나노입자의 결정 크기를 조절해 산화아연 내 에너지(전자)가 존재하지 않는 영역인 에너지 밴드갭을 제어했고 이를 기반으로 산화아연에서 실리콘으로 전자가 이동할 때 겪게 되는 내부 전위 장벽에 변화를 유발했다.

이를 통해 전압이 증가함에도 특정 구간에서 전류가 감소하는 NDR 현상을 성공적으로 구현해 냈다.

이번에 개발한 NDR 소자는 산화아연-실리콘 접합 과정에서 액체상태로 박막을 코팅하는 용액공정을 활용해 대면적으로 제작, 높은 균일도와 수율 100%의 생산성을 확보했다.

특히 극저온 환경, 고진공 등 외부자극 없이도 소자의 전류 레벨을 마이크로 암페어 수준으로 향상시켜 기존 소자의 전류 레벨 대비 약 1000배 이상 개선, 차세대 회로 소자의 상용화에 큰 힘을 보태게 됐다.

연구결과는 재료과학분야 세계적 권위의 학술지인 'Advanced Materials Technologies'(논문명: Observation of Controllable Negative Differential Resistance Behaviors through Morphology-Dependent Zinc Oxide/p-Si Heterointerface Structures/가천대 김소미(공동제1저자), 가천대 박태현(공동제1저자), 윤형중(공동교신저자), 가천대 유호천(공동교신저자))에 표지 논문으로 최근 게재됐다.

공동연구에서 KBSI 윤형중 박사 연구팀은 산화아연과 실리콘의 에너지 구조 분석 및 전하 거동 분석을 담당했고 가천대 유호천 교수 연구팀은 초기 아이디어 확보, 나노입자의 합성 및 소자의 동작 특성 해석을 맡았다.

유호천 교수는 "차세대 회로 소자에 대한 관심이 점점 커지고 있는 상황에서 이번 연구는 흥미로운 물리적 현상을 실험으로 객관적으로 재현하고 실용적으로 활용할 수 있도록 했다는 점에서 가치가 크다"고 설명했다.

KBSI 윤형중 박사는 "이 연구는 물질의 근원적 특성을 파악하고 제어해 차세대 소자 개발에 응용할 매우 의미있는 연구결과를 제시했다"면서 "다양한 재료물질의 에너지 구조를 관찰하는 분석기술의 광범위한 활용을 통해 첨단소자 개발에 기여할 수 있도록 힘쓸 것"이라고 밝혔다.

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