The valley Hall effect in MoS₂ transistors

코넬대학교 박지웅 교수 연구진이 기존 반도체 소자의 에너지 효율을 더욱 높일 수 있는 원자 두께의 얇은 반도체 소자에서 새로운 전자 움직임 현상을 발견해, 향후 기존의 전자 회로보다 우수한 에너지 효율을 지니는 소자를 제작할 수 있는 가능성을 열었다.

이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노․소재기술개발사업(총괄책임자: 세종대학교 그래핀연구소장 홍석륜 교수)의 제2세부(책임자: 코넬대학교 박지웅 교수)과제의 일환으로 수행되었고, 미국과학진흥협회(AAAS)에서 발행하는 세계적 국제학술지인 “사이언스(Science)”에 6월 27일 게재되었다.
 (논문명: The valley Hall effect in MoS₂ transistors)

최근 반도체 소자의 크기가 작아지고 단일 전자 기기에 사용되는 소자의 양이 증가하면서 이를 작동시키기 위해 필요한 에너지도 증가하고 있으나, 기존 반도체 소자의 경우 정보 전달 및 저장을 위해 필요한 에너지 중 많은 양이 불필요한 열에너지로 낭비가 되는 문제(컴퓨터나 휴대전화기기의 작동 시의 가열 현상)가 있었다.

 일반적으로 특정한 방향으로 정보를 전달하기 위해서는 전하를 지닌 입자에 배터리를 통해 전압을 가해주어야 하는데, 이 과정에서 높은 에너지의 입자가 쉽게 열을 내면서 에너지 비효율이 발생한다.

연구팀은 이황화몰리브덴(MoS2)이라는 원자 단위의 얇은 반도체 물질로 만들어진 소자에서 높은 에너지의 입자 주입 없이도 낮은 에너지의 입자가 물질 내 특정 방향으로 이동하는 새로운 현상인‘계곡 홀 현상’을 관찰하였다.
  *  독특한 성질의 반도체 물질로서 높은 전도성의 도체 성질을 지닌 다른 단원자 두께 물질인 그래핀과 상호 보완적 역할이 기대되는 차세대 소자 재료

연구팀은 이 소자에서 낮은 에너지의 안정된 입자들이 두 가지 서로 다른「에너지 계곡」이라 불리는 곳에 존재하고, 같은 전하의 입자라 하더라도 위치하는 계곡에 따라서 서로 다른 방향으로 진동하며 존재하는 것을 알아냈다.

즉, 원하는 계곡 내에 입자를 선택적으로 형성시켜 일정한 방향으로 이동하게 함으로써, 기존의 전하와 자성이 아닌 반도체의 결정구조에 의해 에너지의 손실 없이 정보를 전달할 수 있는 새로운 가능성을 발견한 것이다.

구체적으로 연구팀은 단일 두께의 이황화몰리브덴(MoS2)으로 만든 소자에 파동이 소용돌이치는 형태의 빛을 쪼여줌으로써 따로 전압을 가해주지 않아도 각 입자들이 특정 방향으로 휘어질 수 있음을 실험적으로 관찰하였으며,
또한 빛의 방향을 달리함에 따라서 각 전하가 휘어지는 방향이 반대로 바뀌게 됨을 증명하여, 입자들의 휘어지는 방향을 자유롭게 제어하여 정보를 전달하고 저장할 수 있는 새로운 개념을 구현하였다.

박지웅 교수는“ 이번연구로 이황화몰리브덴으로 대표되는 새로운 단원자 두께의 물질에 대한 관련 분야의 새로운 연구방향을 제시함과 동시에 이를 이용한 응용 기술로 연계 ․ 발전될 것으로 기대 된다.”고 말했다.

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

트랜지스터나 하드 드라이브와 같이 널리 쓰이는 모든 전자회로의 작동원리는 전자가 가지고 있는 전하(charge)와 자성(spin)의 성질을 이해하고 통제하는 데에서 출발한다. 특히 전자의 흐름은 전류를 만들어 내는데 자기장이나 전기장의 영향을 받아 그 흐르는 방향에 수직으로 작은 움직임이 생기게 되며 이를 홀 현상(Hall effect) 이라고 한다. 기존에 연구된 홀 현상은 전자의 전하와 자성에서 시작되며 그 원인에 따라 conventional quantum(1985 Nobel physics), fractional quantum(1998 Nobel physics), spin Hall effect 등으로 나뉜다.

2. 연구내용

박지웅 교수와 Paul McEuen 교수(코넬대학교)는 단원자 두께의 MoS₂로 만들어진 트랜지스터에서 새로운 홀 현상인 계곡 홀 현상을 발견하여 이를 사이언스지(Science)에 발표하였다. 이는 새로운 물리적 현상을 이해함과 동시에 향후 기존의 전자회로보다 우수한 에너지 효율을 지니는 소자 제작을 가능케 할 것으로 기대된다.

MoS₂는 독특한 성질의 반도체 물질로서 높은 전도성의 도체 성질을 지닌 다른 단원자 두께 물질인 그래핀과 상호 보완적 역할이 기대되는 차세대 소자 재료이다. 특히 단일 두께의 MoS₂에는 두 가지 서로 다른 소위 에너지 계곡이란 것이 존재하는데, 이 두 계곡 안에 낮은 에너지의 안정된 입자들이 존재하게 된다. 이때 같은 입자라도 서로 다른 계곡 내에 존재함에 따라 다른 성질을 띠게 된다.

본 실험에서 Park & McEuen 팀은 다른 계곡 내 입자들의 상이한 성질을 홀 현상을 통해 관찰하였다. 먼저 한쪽 방향으로만 회전 편광이 된 빛을 쪼여 주어서 둘 중 한 가지 계곡 안에만 추가로 입자를 주입하였다. 이때 입자가 존재하는 계곡의 종류에 따라서 같은 전자의 입자라도 시계 방향으로 휘거나 혹은 시계 반대방향으로 휘게 되는 홀 현상을 관찰할 수 있었다. 또한 본 연구진은 쪼여주는 회절 편광 방향을 제어함으로써 각 입자들이 휘어지는 방향을 자유롭게 제어할 수 있었다.

이는 기존의 전하와 자성이 아닌 반도체의 결정구조에서 시작된 것으로 계곡(valley) 홀 현상으로 불리며 전하에게 양전하 음전하가 있듯이 전자에게 두 가지 종류의 계곡 성질이 있어 이에 따라 전류가 오른쪽 홀은 왼쪽으로 흐를 수 있음을 보인 실험 결과이다.

3. 기대효과

기존의 전하를 기반으로 한 전자 소자의 경우 그 동작을 위해 필요한 에너지가 손쉽게 열에너지로 손실된다는 문제점이 있다. 이는 특정 전하를 지닌 입자가 소자 내에서 특정 방향으로 흐를 수 있게 하기 위해서는 높은 에너지를 지닌 입자를 소자 한 쪽 끝에 주입해 주어야 하기 때문인데 이때 전하의 에너지는 손쉽게 열에너지로 손실되게 된다.

본 실험에서는 에너지 계곡 내에 존재하는 낮은 에너지의 안정된 입자들을 활용하기 때문에 에너지의 손실 없이 정보를 전달할 수 있는 가능성을 지니고 있다. 정보 전달은 양전하와 음전하 두 가지 성질을 지닌 입자로 ‘예’ 또는 ‘아니오’로 소자 정보를 전달할 수 있었듯이 두 가지 성질을 지닌 계곡 내에 원하는 대로 입자를 주입함으로써 가능할 것이다.

또한 원자층 두께의 얇은 재료로서 소자의 초소형화에 적합하고 높은 빛감응도를 보이기 때문에 이를 이용한 고집적 전자 회로나 광전소자, 센서가 가능하게 할 것으로 기대된다.

MoS2로 대표되는 새로운 단원자 두께의 물질은 현재 그 전기적, 광학적 성질이 널리 연구되고 있으며 이물질에 대한 대면적 성장의 기술도 현재 개발 중이다. 따라서 이번에 발표된 계곡 홀 현상은 이 분야 연구방향을 바꿈과 동시에 이를 이용한 응용분야에 대한 관심의 증가도 예상된다.