바이오인

핵심내용

- 낮은 농도에서 자유롭게 조절할 수 있는 2차원 반도체물질 도핑기술 개발 -


□ 국내 연구진이 금속이온이 도핑*된 DNA 나노구조물을 활용하여 2차원 나노반도체를 아주 낮은 농도로 재도핑하는 기술을 개발하였다.

o 종잇장처럼 얇은 2차원 나노반도체의 결정성을 해치지 않고 여러 금속(구리, 아연 등) 종류의 이온이 부착된 인공 DNA*를 또 다시 2차원 나노반도체에 가볍게 증착될 수 있도록 한 것이다.
* 도핑(doping) : 불순물을 첨가하여 반도체의 특성을 바꾸는 과정
* DNA(Deoxyribonucleic acid) : 세포의 핵 안에서 생물의 유전정보를 보관하는 핵산

□ 기존에는 불순물의 농도를 미세하게 조절하는 이온 임플란테이션(Ion implantation) 방식이 물리적인 힘으로 인하여, 두께 1 나노미터 이하의 얇은 2차원 나노반도체의 결정성을 깨뜨리는 한계가 있었다.

□ 그러나, 이번 연구는 양전하를 띠는 금속이온과 음전하를 띠는 DNA의 특성을 토대로 각각 아래에 놓인 반도체의 전자와 정공을 끌어당기는 원리를 이용하여
o 제곱 센티미터 면적당 1011개 이하의 전자 및 정공 농도를 조절하는 정밀도 기술로 기존의 2차원 나노반도체 도핑기술이 제곱센티미터 면적당 약 1012개 이상의 농도로 결정체를 깨뜨리지 않고 도핑한 것으로써 반도체 특성을 크게 향상시킨 것이다.

o 2차원 나노 반도체 특성을 향상시키기 위해서는 불순물 도핑시, 반도체 내 전자와 정공의 농도를 조절할 수 있어야 하는 데 이 때 2차원 나노 반도체의 결정성을 깨뜨리지 않고 불순물의 종류와 농도를 조절하는 것이 소자 개발의 관건이었다.

□ 이번 연구는 정밀한 도핑농도 조절로 전류 및 정공의 이동도를 향상시키고 광 검출능력 등을 높일 수 있어 2차원 나노반도체의 최적화를 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

□ 이번 연구에 참여한 성균관대 전자전기공학부 박진홍 교수, 노용한 교수, 물리학과 박성하 교수 및 박형열 박사과정 연구원(제 1 저자)의 연구결과는 나노분야 국제학술지 에이시에스 나노(ACS Nano)지 10월 29일자 온라인판에 게재되었고 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진 및 중견연구자 지원 사업) 지원의 성과이다
※ (논문제목) N- and P-type Doping Phenomenon by Artificial DNA and M-DNA on Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides)

□ 박진홍 교수는“DNA 나노기술과 2차원 나노반도체 기술을 융합, 2차원 소자의 성능제어와 최적화에 쓸 수 있는 1010cm-2 수준의 도핑기술 개발로 국내 2차원 트랜지스터, 센서, 태양전지 같은 다양한 전자 및 광전소자 분야에 기여할 것”이라고 밝혔다.

연 구 결 과 문 답

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

현재 DNA 나노기술은 다양한 DNA 나노구조물을 성장/합성하는 단계에 머물러 있으며 많은 관련 연구팀들이 DNA 나노기술을 적용할 수 있는 적절한 응용분야를 찾고자 많은 노력을 기울이고 있다.

한편, 현재 2차원 나노반도체(MoS2 및 WSe2) 도핑기술의 경우 도핑농도를 낮은 수준에서 조절하는데 어려움을 겪고 있다. 기존에 보고되었던 2차원 나노반도체 도핑기술들은 대부분 1012cm-2 이상의 높은 수준에서 농도가 조절되어 2차원 나노반도체 기반 전자/광전소자의 성능 제어 및 최적화 과정에 적용되는데 한계가 있었다.

본 연구팀은 DNA 나노기술과 2차원 나노반도체기술의 융합을 통하여 기존 2차원 나노반도체에서 성취하기 어려웠던 1011cm-2 이하의 도핑농도에서 조절이 가능한 새로운 도핑기술을 개발하였고 개발된 도핑기술을 2차원 나노반도체 기반 전자/광전소자에 적용하여 도핑을 통한 성능 제어 및 최적화 가능성을 확인하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 n-type 특성을 갖는 2차원 나노반도체 물질인 MoS2와 p-type 특성을 갖는 WSe2를 이용하여 전자소자(n-형 및 p-형 트랜지스터)를 제작하고 각 채널 영역에 음전하를 띠는 DNA을 부착시켜 ~6.4×1010 cm-2 그리고 ~7.3×109 cm-2 수준의 n-type 도핑을 각각 MoS2 및 WSe2에서 성공하였다. 특히 DNA 나노구조물에 부착되는 양 극성의 금속이온 종류 및 농도를 조절하여 2.3×1010 cm-2과 5.5×1010 cm-2 사이에서 도핑농도 조절이 가능한 p-type 도핑기술을 개발하였다.

음전하를 띠는 DNA 나노구조물은 2차원 나노반도체에 존재하는 정공(hole)을 잡아 상대적으로 전자(electron)가 늘어난 것과 같게 만들고(n-type 도핑 현상), 양전하를 갖는 금속이온이 부착되어 있는 M-DNA 나노구조물은 2차원 나노반도체에 존재하는 전자를 잡아두어 상대적으로 정공이 늘어난 것과 같게 한다(p-type 도핑 현상).

또한 개발된 도핑기술을 2차원 나노반도체 기반 전자/광전소자에 적용하여 도핑을 통한 성능제어 및 최적화 가능성을 확인하였다. 도핑농도가 증가함에 따라 전자소자의 특성인 문턱전압, 전류 및 이동도가 증가하였고, 광전소자의 광응답 및 광검출 능력은 감소하였다.

3. 기대효과

이번 연구는 최근 주목받는 DNA 나노기술과 2차원 나노반도체기술의 융합이라는 점에서 의미가 있으며 특히 2차원 전자/광전소자의 성능 제어 및 최적화 과정에 적용이 가능한 1010cm-2 수준 조절가능 도핑기술의 개발은 차세대 2차원 나노반도체소자 분야의 발전에 기여할 것으로 보인다.

연 구 결 과 문 답