커버이미지 : 세 가지 다른 종류의 다이오드들 (소스)
다이오드(diode)라는 소자가 있습니다. 기본적으로 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 소자로서 현대 전자공학에 있어서 빼놓을 수 없는 물건이지요. 아마 p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 만들어진 반도체 다이오드는 전자공학에 관심이 있으신 분들이라면 아마 들어보신 적 있을 것입니다. 또 다른 대표적인 다이오드로는 이번에 소개할 쇼트키 다이오드(Schottky diode)가 있습니다. 금속(도체)과 반도체의 접합으로 만들어진 다이오드로서 접합 부분에 생기는 쇼트키 배리어(Schottky barrier)를 이용, 반도체 다이오드보다 낮은 문턱전압을 갖고 있다는 특성이 있습니다. 다만 누설전류가 크다는 단점도 있습니다. 현재 쇼트키 다이오드는 빠른 스위칭 속도라는 장점을 이용, 고주파 회로에 쓰이고 있습니다.
하지만 지금까지 소형화가 급속도로 진행되고 있는 상황에서 2차원 박막형 소자의 연구가 활발해지고 있지만, 소자의 수송 특성을 조사할 때 3차원 소자의 이론에 근사해서 사용하고 있는 실정이었습니다. 하지만 이는 상당히 부정확한 방법입니다. 2차원일수록 고전역학보다 양자역학의 영향력이 강하기 때문에 그에 따른 새로운 이론이 필요했습니다.
Singapore University of Technology and Design의 Yee Sin Ang 연구팀은 2차원 금속과 반도체 접합에서의 수송 특성을 이론적으로 밝혀내는 데에 성공했습니다. 연구팀은 2차원 그래핀과 반도체 접합 구조를 상정하고 그래핀이 반도체 위에 올라와 있을 때(그림 1a)와 반도체 옆에 붙어있을 때(그림 1b)로 나누어 3차원에서 적용되었던 온도와 역포화전류밀도(Reversed saturation current density)와의 관계(리처드슨 법칙 Richardson’s law)를 수정했습니다.
다이오드에 흐르는 전류 I와 전압 V의 관계는 다음과 같이 묘사할 수 있습니다 (쇼클리 다이오드 방정식).
여기서 나타난 역포화전류는 다이오드에 역방향으로 전압을 걸었을 때 흐르는 전류의 최대치를 의미합니다. 이 포화전류는 앞서 언급한 리처드슨 법칙으로 표현할 수 있습니다.
A와 B는 물질에 의존하는 상수입니다. 또 다른 변수 x가 보이는데 지금까지 x=2로 놓고 문제를 풀어왔습니다. 하지만 이는 3차원 물질에 한한 것으로서 2차원으로 넘어가면서부터 상당히 부정확하다는 것이 알려졌습니다. 이에 Yee Sin Ang 연구팀은 2차원 운동량 공간과 에너지의 관계(분산 관계dispersion relation이라고 합니다)를 이용하여 2차원 금속이 반도체 위에 있을 때는 x=1, 반도체 옆에 붙어있을 때는 x=3/2라는 것을 밝혀냈습니다. 연구팀은 더 나아가, 앞서 말한 2차원 그래핀에만 국한된 것이 아닌 일반적인 2차원 금속 모델(반도체 양자 우물, Dirac cone, 2차원 Rashba 시스템 등)에 모두 해당한다고 설명했습니다.
이번 연구는 앞으로의 반도체 연구에 큰 도움이 될 것으로 보고 있습니다. 2차원 소자의 수요가 높아지고 있는 상황에서 보다 정확한 이론의 도입을 통해 더 우수한 소자 제작 기술이 탄생할 것으로 기대됩니다. 또한 반도체 뿐만이 아닌 신소재 분야에서도 이 연구 결과는 상당히 유용한 도구를 제공할 것입니다.
이 결과는 2018년 8월 1일 Physical Review Letters에 게재되었습니다.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.056802
김세훈
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