국내 연구진이 불순물 도핑 없는 반도체 나노선의 양전하 생성 원인을 규명했다.


KAIST는 장기주 교수(물리학과)팀이 게르마늄-실리콘 나노선에서 이 같은 내용을 알아냈다고 30일 밝혔다. 장 교수는 박지상, 류병기 KAIST 연구원, 문창연 연세대 박사 등과 함께 나노미터(nm=10억분의 1m)단위의 직경을 가진 코어-쉘(core-shell) 구조의 게르마늄-실리콘 나노선의 전기전도 특성을 조사했다.

이번 연구결과는 나노과학기술 분야 최고 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 온라인판에 지난 17일 게재됐다. 제목은 게르마늄-실리콘 코어-쉘 나노선의 양전하 정공 가스를 일으키는 결함(Defects Responsible for the Hole Gas in Ge/Si Core-Shell Nanowires).

최근에 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 반도체 나노선 등 나노 소재를 이용한 새로운 반도체 소자 연구가 주목받고 있다. 특히 실리콘 및 게르마늄 나노선은 기존 반도체 기술과 접목이 가능하다.


나노 소재 이용한 반도체 소자 연구 활기

KAIST에 따르면 반도체 나노선의 소자 응용은 불순물을 첨가하여 양전하 혹은 음전하를 띤 정공(hole)이나 전자 운반자를 만들어 전류가 흐를 수 있게 해야 한다. 그러나 나노선의 직경이 작아져 나노미터 수준이 되면 불순물 첨가가 어려워 전기전도의 조절이 매우 어려워진다. 이에 반해 게르마늄 나노선을 얇은 실리콘 껍질로 둘러싼 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 나노선을 만들면 불순물을 도핑하지 않아도 게르마늄 코어에 정공이 만들어지고 전하 이동도는 크게 증가한다.

장 교수팀은 제일원리 전자구조 계산을 통해 게르마늄 코어와 실리콘 쉘의 밴드구조가 어긋나 있고, 이 때문에 게르마늄 코어의 전자가 실리콘 쉘에 있는 표면 결함으로 전하 이동이 가능하여 코어에 양공이 생성됨을 규명했다. 아울러 반도체 나노선을 만드는 과정에서 촉매로 쓰이는 금(Au) 원자들이 실리콘 쉘에 남아 게르마늄 코어의 전자를 빼앗는다는 사실도 알아냈다.

장 교수는 “이번 연구 결과는 그동안 수수께끼로 남아있던 게르마늄-실리콘 나노선의 양전하 생성 원인과 산란과정을 거치지 않는 정공의 높은 전하 이동도에 대한 이론적 모델을 확립하고, 이를 토대로 불순물 도핑 없는 나노선의 소자 응용과 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.