부산대·성균관대·인하대 공동 연구팀이 머리카락 두께의 1만분의 1 수준에 불과한 초소형 다이오드를 구현하는 데 성공했다. 초소형 접촉 면적에서도 안정적인 전류 제어와 광응답 성능을 확보해 차세대 반도체·광전자 소자 개발의 핵심 원천기술로 주목된다.

부산대는 김지희 물리학과 교수 연구팀이 성균관대, 인하대와 공동 연구를 통해 전도성 원자힘 현미경(CAFM)의 탐침(PtSi 팁)을 활용, 접촉 면적이 6.82㎚² 수준인 나노 쇼트키 다이오드를 구현했다고 5일 밝혔다.

연구팀은 금속과 반도체 경계에서 전류를 한쪽 방향으로 흐르게 하는 ‘쇼트키 다이오드’ 구조를 나노 수준으로 축소하는 과정에서 전류 왜곡 문제가 발생한다는 한계를 넘어섰다.

초평탄 금 전극 위에 2차원 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)을 놓고, CAFM 탐침을 핀처럼 접촉시키는 방식으로 극소 면적에서도 정밀한 전류 제어에 성공했다.

또 MoS₂ 두께에 따른 전류-전압 특성을 분석한 결과, 기존 대면적 다이오드보다 훨씬 높은 정류비가 확인됐다. 연구팀은 이 같은 특성이 전하가 이동하지 않는 ‘공핍 영역’을 극도로 줄인 덕분이라고 설명했다.

아울러 이번 나노 다이오드는 전류 제어뿐 아니라 광다이오드로도 작동해, 두께·빛의 파장·조사 위치 등에 따른 광응답 현상을 안정적으로 관측했다. 이는 나노 구조에서도 내부 전위 장벽이 충분히 형성된다는 사실을 입증한 결과다.

오세진 성균관대 석박통합과정 학생(1저자)은 “초고밀도 메모리, 자율주행 이미지 센서, AR·VR 등 차세대 소자 아키텍처에 새로운 가능성을 제시했다”고 밝혔다.

김지희 부산대 교수는 “나노 수준 접촉에서도 오히려 더 높은 민감도와 정류 특성이 구현됨을 입증했다”며 “향후 초소형 통신장치, 헬스 모니터링, 뉴로모픽 소자 등 다양한 응용 연구에 기반이 될 것”이라고 전했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 8월 14일 게재됐다.