▲ (a) 단극성의 극성 제어가 가능한 MoTe₂ 전계 효과 트랜지스터 소자 구조 및 (b) 열처리 조건 변화에 따른 전기적 특성. (c) 열처리 분위기에 따른 MoTe₂의 에너지 준위. (d) MoTe₂ 소자를 이용하여 제작된 인버터 회로의 출력 전압과 전압 이득. MoTe₂ 소자를 이용하여 제작된 (e) NAND, (f) NOR 게이트의 출력 전압.

Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 논리 회로와 같은 현대의 전자 회로 시스템 구축에 있어, 반도체의 극성을 정밀하게 제어하는 기술이 매우 중요하다. 특히, 저차원 반도체 물질은 독특하고 우수한 물리적, 재료적 특성으로 인해 차세대 전자소자를 위한 높은 잠재력을 보유하고 있어, 해당 물질의 극성을 제어하는 기술의 필요성이 제기되었다. 그러나 저차원 반도체 재료의 경우, 극성 제어를 위해 일반적으로 활용되던 전하 전이 도핑, 이온 주입 도핑과 같은 방법을 이용할 때, 재료 내부에 물리적/화학적 손상을 야기하고, 이는 전자 소자의 특성 감소로 이어지게 된다. 이러한 난제를 해결하기 위해, 국내외 여러 연구팀들은 비교적 단순한 열처리 방법을 이용하여, 전자 소자의 극성을 제어하는 연구를 진행하였다. 실제로, 열처리 분위기 및 온도 조건의 변화에 의하여 소자의 극성이 n형에서 p형, 혹은 그 반대로 조절되는 여러 연구 결과들이 보고되었다. 하지만 여전히 기존의 연구들은 반도체 물질 내 극성 변화 현상에 관한 물리적 메커니즘을 분명하게 제시하지 못한 한계가 있을 뿐 아니라, 실제 극성을 제어하는 방법이 동일하더라도, 전자 소자의 기하학적 구조에 따라 소자의 극성에 차이가 나타날 수 있다는 사실은 아직 밝혀지지 않은 실정이다.

기존의 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 열처리 분위기에 따라 저차원 반도체 재료의 극성 변화 현상에 관한 물리적 메커니즘을 체계적으로 분석하였으며, 동일한 극성 제어 방법을 이용하여 다양한 전자 소자 구조에서의 극성 변화 양상을 관찰하였다. 우선 저차원 반도체 재료 중 극성 제어에 용이하도록 밴드갭이 1 eV로서 상대적으로 낮은 몰리브덴 디텔루라이드(MoTe₂)를 이용하였다. 그리고 자외선 광전자분광법(ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS)과 X선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), 밀도범함수이론(density functional theory, DFT) 계산 방법을 이용하여 열처리 분위기에 따라 MoTe₂ 물질의 극성 변화가 연속적으로 가능하며, 이에 관한 자세한 물리적 메커니즘을 규명하였다. 한편, 동일한 열처리 분위기에 따라 일반적인 구조의 MoTe₂ 전계 효과 트랜지스터에서는 물질에서 관찰된 현상과 다르게 양극성 특성이 나타난다는 것을 확인하였다. 이를 통하여, 전자 소자의 극성은 열처리 조건뿐 아니라 전기적 특성에 영향을 주는 게이트 전압에 의해서도 조절될 수 있다는 현상을 발견하였다. 이를 고려하여 새롭게 고안된 소자 구조에서는 물질에서와 마찬가지로 단극성으로 극성 제어가 가능하다는 사실을 밝혔다. 이렇게 제작된 단극성의 n형, p형의 MoTe₂ 전계 효과 트랜지스터를 이용하여 인버터, NAND, NOR 게이트와 같은 논리회로를 성공적으로 구현하였다. 본 연구에서 제시된 극성 변화 현상의 물리적 메커니즘 및 정밀한 소자 구조 조절에 관한 전략은 저차원 반도체 소자 기반 미래 기술의 발전을 위한 새로운 포석이 될 것이라고 기대한다.