국내 연구진이 음성미분저항(Negative Differential Resistance, 이하 NDR)을 효과적으로 구현할 수 있는 고효율 소자 기술을 개발했다.

한국기초과학지원연구원 소재분석연구부 윤형중 박사 연구팀이 가천대학교 전자공학과 유호천 교수 연구팀과 공동으로 n형 반도체 물질인 산화아연의 나노입자 결정 구조를 조절해, p형 반도체 물질인 실리콘과 접합한 형태의 p-n 접합 NDR 반도체 소자 구현에 성공했다.

이로인해 고성능 마이크로파 발진기, 증폭기 등은 물론, 다중 논리 값 구현을 위한 고속 지능형 스위칭 소자 상용화에 가속도가 붙을 것으로 전망된다.  
 
음성미분저항(NDR)은 전압이 증가함에도 전류는 감소하는 독특한 물리적 현상으로, 전압이 증가하면 전류가 증가하는 일반적인 전류 흐름(옴의 법칙)과 상반된다. 옴의 법칙을 따르는 회로에서는 전기에너지가 저항으로 인해 열과 빛 등으로 소모되지만, NDR에서 저항은 오히려 전기를 생산하게 된다.

NDR은 전압이 증가함에도 전류가 감소하는 독특한 현상으로, 고농도 p-n 접합에서 나타나는 양자 터널링* 효과에 기인한다. 전기를 인가하면 일정 수준의 전압에서는 전류가 감소하다가 전압이 더 증가하면 다시 전류가 증가하게 되는데, 이처럼 전류 크기가 감소하는 구간을 NDR 영역이라 한다. 이처럼 특정 전압 조건에서 전기 신호의 힘을 조절할 수 있는 고유의 스위칭 특성으로 인해, NDR은 차세대 전자회로 분야의 핵심 기술로 주목받고 있다.
 
양자 터널링(tunneling)은 양자역학의 지배를 받는 미시 세계에서 매우 작은 입자 자체가 갖고 있는 파동의 성질을 이용해, 자신이 갖는 에너지 보다 높은 에너지 장벽을 통과하는 현상을 말한다.

최근 MoS2나 BP(Black Phosphorus)와 같은 2차원 소재를 활용해 NDR 소자를 개발하고 있지만, 이는 대면적으로 만들기 어렵고 제작 과정이 복잡하며 초저온 환경 등 특성 발현을 위한 작동 조건이 제한적이다.

또, 소자의 전류 레벨이 최소 수십 마이크로 암페어 수준은 돼야 노이즈(noise) 영향 없이 신호를 제대로 전달할 수 있는데, 기존 NDR 소자들은 나노 암페어 수준으로 전기 신호가 매우 미미해 실질적인 상용화에 어려움이 컸다.

연구팀은 산화아연과 실리콘을 접합한 형태의 NDR 소자를 고안했다. 산화아연 나노입자의 결정 크기를 조절해 산화아연 내 실질적으로 에너지(전자)가 존재하지 않는 영역인 에너지 밴드갭을 제어했으며, 이를 기반으로 산화아연에서 실리콘으로 전자가 이동할 때 겪게 되는 내부 전위 장벽*을 변화시킬 수 있었다.

이를 통해 전압이 증가함에도 특정 구간에서 전류가 감소하는 NDR 현상을 성공적으로 구현할 수 있었다.

NDR 현상을 근본적으로 제어하는 데에 필요한 반도체 접합에서의 전하 거동과 물질별 에너지(전자)가 존재할 수 있는 에너지 밴드의 상태는 KBSI 소재분석연부에 설치된 첨단 연구장비인 XPS/UPS 시스템을 활용, 분자의 광전자 스펙트럼을 측정해 이온의 전자와 진동 상태를 관찰하는 광전자 분광법을 이용해 규명했다.

이번에 개발한 NDR 소자는 산화아연-실리콘 접합 과정에서 액체 상태로 박막을 코팅하는 용액 공정을 활용해 대면적으로 제작함으로써. 높은 균일도와 수율 100%의 생산성을 확보했다. 또한, 극저온 환경, 고진공 등 외부 자극 없이도 소자의 전류 레벨을 마이크로 암페어 수준으로 크게 향상시켰다.

이는 기존 소자의 전류 레벨 대비 약 1000배 이상 개선된 것으로, 차세대 회로 소자의 상용화를 기대할 수 있는 대목이다.

윤형중 박사 연구팀은 산화아연과 실리콘의 에너지 구조 분석 및 전하 거동 분석을 담당했다. 가천대 유호천 교수 연구팀은 초기 아이디어 확보, 나노 입자의 합성 및 소자의 동작 특성 해석을 진행했다.

연구결과는 KBSI의 소재분석연구부 운영과제, 한국연구재단의 중견연구자 지원사업으로 수행됐으며, 재료과학분야 세계적 권위의 학술지인 Advanced Materials Technologies[논문명: Observation of Controllable Negative Differential Resistance Behaviors through Morphology-Dependent Zinc Oxide/p-Si Heterointerface Structures, IF= 8.856, 가천대 김소미(공동제1저자), 가천대 박태현(공동제1저자), 윤형중(공동교신저자), 가천대 유호천(공동교신저자)]에 표지 논문으로 최근 게재됐다.

가천대 유호천 교수는 “차세대 회로 소자에 대한 관심이 점점 커지고 있는 상황”이라며, “이번 연구는 흥미로운 물리적 현상을 실험을 통해 객관적으로 재현하고, 실용적으로 활용할 수 있다는 점에서 가치가 크다”고 설명했다.

윤형중 박사는 “이번 연구는 물질의 근원적 특성을 파악하고 제어해, 이를 차세대 소자 개발에 응용한 매우 의미있는 연구결과”라며, “앞으로도 다양한 재료 물질의 에너지 구조를 관찰하는 분석기술의 광범위한 활용을 통해 첨단 소자 개발에 기여할 수 있도록 힘쓸 것”이라고 밝혔다.