연구팀이 제작한 트랜지스터를 대상으로 한 감마선 조사 실험. 원자력연구원 제공한국원자력연구원은 한국재료연구원과 공동 연구를 통해 2차원 나노소재인 이황화 몰리브덴(MoS₂) 기반 반도체에 방사선의 일종인 감마선을 쪼였을 때 나타나는 전기적 특성 변화와 오류 과정을 규명했다고 25일 밝혔다.
차세대 2차원 나노 반도체가 우주방사선에 의해 고장 나는 과정을 찾아낸 것이다.
우주방사선은 태양과 외부 은하 등에서 발생해 지구로 향하는 에너지가 높은 방사선이다. 인공위성이나 우주선 등에 사용되는 반도체는 양성자·감마선과 같은 우주방사선에 의해 오류가 발생하거나 손상을 일으킬 수 있어 방사선 영향 평가를 받아야 한다.
두께가 수 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 수준으로 얇은 이황화 몰리브덴은 유연하고 투명하며 전기적·광학적 특성이 우수해 우주용 반도체 소재로 활발히 연구되고 있다.
원자력연구원 강창구 박사와 재료연구원 김용훈 박사 연구팀은 실리콘 기판 위에 절연체와 이황화 몰리브덴을 쌓아 올린 뒤 전극으로 연결해 트랜지스터를 제작했다.
트랜지스터에 감마선을 쪼여 특성을 분석한 결과 조사량이 증가할수록 트랜지스터에 전류가 흐르도록 하기 위한 문턱전압이 실리콘 단일 소재에 비해 높아짐과 동시에 전류가 소폭 감소하면서 오류 가능성이 커졌다.
이황화 몰리브덴에 감마선을 쪼이면 전자가 비정상적으로 빠져나와 절연체와의 경계면과 공기층으로 들어가는 '전자 터널링' 현상이 오류의 원인이었다. 감마선 조사량이 커질수록 더 많은 전자 터널링 현상이 나타났다.
강창구 박사는 "반도체 고장이 소자 자체의 변화로 일어난 것이 아니라 반도체 내부 경계면과 공기층에서 발생할 수 있음을 제시했다"며 "우주용 내방사선 반도체 기술 개발에 기여할 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '나노머티리얼즈'(Nanomaterials) 8월호 표지논문으로 실렸다.