연세대, 5세대 무선통신용 고주파 정류소자 원천제작기술 개발

연세대 임성일 교수팀

[파이낸셜뉴스] 연세대학교학교는 31일 임성일 교수( 사진) 연구팀이 2차원 층상형 나노 반도체소재인 이셀레늄화텅스텐(WSe2)의 수직방향 전하수송현상을 이용해 '5세대 통신용 27GHz 고주파 쇼트키 정류소자'를 개발했다고 밝혔다.

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. 또 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.

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.

이 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.

한편 이 연구는 지난 27일 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.

[e-mail] 김동호 기자