임성일 교수 연구팀, 5세대 무선통신용 고주파 정류소자 원천제작기술 개발

국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈에 게재

임성일 교수(물리학과) 연구팀은 2차원 층상형 나노 반도체소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 수직방향 전하수송현상을 이용해 5세대 통신용 27GHz 고주파 쇼트키 정류소자를 개발했다.

지금까지 연구돼 온 2차원 층상형 나노소재 기반 전자소자는 실리콘 반도체를 대체할 차세대 반도체 물질로 각광받아왔으나, 2차원 층상 수평형 나노소자는 극박막 반도체의 고유 성질인 제한적인 채널/접촉 부피 때문에 결국 높은 접촉저항, 직렬저항, 기생 정전용량을 초래할 수밖에 없었다. 또한 공기 중에 노출된 반도체 표면에서 일어나는 열화현상으로 인해 전자소자의 성능이 떨어지는 고질적인 문제점들이 더욱 뚜렷하게 나타났다. 최근 이러한 문제점들을 극복하기 위한 다양한 대안들이 제시됐지만 실리콘 반도체를 대체하기엔 아직 많은 어려움이 있다.

이번 연구에서는 2차원 층상형 나노소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 반도체를 이용해 수평형이 아닌 ‘수직형’ 쇼트키 다이오드 소자를 제작했다. 산화알루미늄 절연막공정, 층상 간 양자터널링 전하수송현상, 그리고 수직형 소자 구조의 장점을 이용해, 5세대 이동통신 주파수 대역에서 안정적으로 작동할 수 있을 만큼 높은 속도(27GHz)의 초고주파 정류 특성을 유리기판 위에 구현했다.

2차원 층상형 나노소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)은 P-타입 반도체 물질로 백금(Pt) 전극과는 오믹접촉을, 투명전극으로 사용되는 ITO전극과는 강한 쇼트키 접촉을 형성한다. 기존 연구에서는 수평형 다이오드만을 주로 연구해 접촉저항이 컸으나, 본 연구에서는 수직형을 시도해 최소 접촉저항을 얻어냈다.

수직형 소자 구조를 이용해 수직 방향의 채널/접촉 부피를 최적화시켜 접촉저항, 직렬저항, 기생 정전용량을 최소화시킬 수 있었다. 또한 다이오드 자체의 수직 방향 채널이 접촉금속으로 보호돼 있어, 공기 중의 산소와 수분의 흡탈착에 의한 열화현상을 극적으로 감소시킬 수 있었다. 결과적으로 본 쇼트키 소자는 작은 접촉저항(50Ω), 작은 기생정전 용량(수백 fF)만을 허용했고, 최대 27GHz의 초고속 차단주파수를 보여줬다. 이는 실리콘과 갈륨비소를 제외하고는 2차원 층상형 소재 혹은 박막 소재들에서 보여준 최고의 값이다.

연구진은 이에 그치지 않고 산화알루미늄 막을 이용해 쇼트키 다이오드와 축전기가 병렬로 연결된 자체 회로를 제작해 다양한 주파수 영역에서 상용 가능한 AC/DC 변환기와 AM신호검파기 작동을 구현했다. 이와 같은 소자는 유리와 플라스틱 위에 쉽게 제작 가능해 차세대 자동차 내부창에도 안테나 및 회로와 함께 장착할 수 있어 5세대 통신에 유효하게 적용될 가능성이 있다.

임성일 교수는 “이번 연구를 통해 얻어진 2차원 층상 나노반도체를 적용한 수직형 고주파 쇼트키 정류소자는, RF 밀리미터파 영역에서 초고주파 특성이 우수하고 소자제작이 각종 기판에서 용이하므로 학문적 가치뿐 아니라 실용적 가치도 높이 인정받을 것을 기대한다.”고 밝혔다.

이 연구는 양승진 석사과정생(연세대)이 제1저자로, 물리학과 김관표 교수(연세대, 제2교신저자), 전자공학과 민병욱 교수(연세대), 임재호 연구원(미국 미시건대)과 협력 연구한 결과로, 3월 27일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 과학기술정보통신부의 선도연구센터지원사업(SRC)과 도약연구후속지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

[그림1] 2차원 층상형 나노소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)를 기반한 

고주파 전용 수직형 쇼트키 다이오드의 모식도 (상부) 및 차단주파수 특성 (하부)

[그림2] 2차원 층상형 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 쇼트키 다이오드 3차원 모식도

[용어설명]

1. 5세대 이동통신 기술 (Fifth generation mobile telecommunication)

5세대 이동통신 기술은 최대 다운로드 속도가 20 Gbps 그리고 최저 다운로드 속도가 100 Mbps인 이동통신 기술을 의미한다. 현재 사용되고 있는 4세대 이동통신 기술인 LTE 대비 20배 빠른 최대 전송속도(초고속), 10분의 1 수준인 지연시간(초저지연), 100배 높아진 전송가능 트래픽과 함께 단위면적(1km2)당 접속가능 기기 100만 개 등의 특징(초연결)을 가진다. 이를 토대로 국내 뿐만 아니라 전세계적으로 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷, 무선광대역 등 다양한 분야에서 혁신이 일으킬 차세대 이동통신 기술로 전망된다. 이를 위한 소자의 스위칭 속도는 현재 차단주파수의 통상적 기준으로 25 GHz대역과 35GHz대역, 그리고 가장 높게는 60 GHz대역으로 알려져 있다. 국내에서는 3~30GHz로 적용되고 있다. 

2. 쇼트키 다이오드 (Schottky barrier diode)

쇼트키 다이오드는 반도체와 금속과의 접합에서 발생하는 쇼트키 장벽을 이용한 다이오드이다. 기존의 PN 다이오드와 달리 문턱 전압에 의한 순방향 전압강하가 적어 전력손실이 적어 저전압 대전류의 전원 정류용 소자로 이용된다. 또한, 소수 캐리어가 아닌 다수 캐리어에 의해 전류가 흐르기 때문에 축적 효과가 없어 역회복시간이 매우 짧은 특징을 가지고 있어 고주파 스위칭 전원용 정류소자로도 사용된다.

3. 차단주파수 (Cutoff Frequency)

차단주파수는 신호가 통과하는 주파수 대역과 통과하지 못하는 주파수 대역의 경계점이다. 이상적인 필터의 경우 차단주파수를 정하기 쉽지만 실제 필터에서는 그 기준이 애매모호하기 때문에, 최대이득으로부터 –3 dB로 떨어지는 지점을 기준으로 잡는다. 전력 이득 기준으로 출력 전력이 입력 전력의 0.5 배가 되는 지점을 의미하고, 전압 이득 기준으로 출력 전압이 입력 전압의 0.707 배가 되는 지점을 의미한다.