입력 2026.02.20 09:32
- 전극과 반도체 계면에 미세 공기층을 삽입한 소자기술 최초개발
연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은 2차원 반도체 기반 수직 쇼트키 다이오드의 전극/반도체 계면에 공기층(Air gap)을 삽입하는 공정 기술을 적용해 300GHz 이상의 주파수에서 동작 가능한 ‘초고속 쇼트키 다이오드’를 구현했다.
이번에 개발된 소자는 극미세 공기층을 포함하는 이셀레늄화레늄(ReSe₂) 반데르발스 반도체 기반 수직형 쇼트키 다이오드로, 최고 430GHz에 달하는 초고속 차단주파수(Cut-off frequency, fC)를 달성했다. 이는 현재까지 보고된 박막 기반 RF 소자 중 최고 수준의 성능으로, 차세대 6G 및 서브테라헤르츠(sub-THz) 소자 개발의 새로운 가능성을 제시한다.
현재 6G 및 위성·자율주행·IoT 응용으로 확장되고 있는 차세대 통신 기술은 수십~수백 GHz 이상의 고주파 동작이 필수적이다. 그러나 기존 박막 반도체 기반 RF 소자들은 이러한 초고주파 동작을 달성하는 데 구조적 한계를 겪어왔다.
이번 연구의 의의는 박막 반도체 기반 RF 소자의 구조적 한계를 단순화된 공정 기술로 극복하고, 새로운 구조의 소자를 개발했다는 데 있다. 특히 해당 소자는 30~400GHz 범위에서 차단주파수를 가변적으로 제어할 수 있어, 향후 RF 무선 에너지 하베스팅, IoT 센서 전력 공급, 초고속 RF 수신기 등 다양한 차세대 응용 기술로의 확장 가능성을 보여준다.
이번 연구에는 연세대 물리학과 홍성재 박사가 제1저자로, 이규 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 또한 신소재공학과 강달영 교수와 전자공학과 육종관 교수가 협력 연구진으로 함께했다. 실제 소자의 정류 회로 제작과 특성 측정은 홍익대 전기전자공학과 임재호 교수와의 공동 연구를 통해 수행됐다.
연구 결과는 세계적인 재료과학 학술지 ‘Advanced Functional Materials(JCR 상위 4.1%)’에 2월 10일 온라인 게재됐다.
연구팀은 이번 연구에서 공정 과정 중 발생하는 잔류 응력(Residual stress)에 의해 박막 ReSe₂ 반도체층이 전극 위로 들뜨며(Delamination) 공기층이 형성되는 현상을 확인했다. 이 과정에서 자연스럽게 형성된 공기층은 다이오드의 총 정전용량을 획기적으로 낮추는 역할을 했다. 그 결과, 공기층이 없는 기존 박막 다이오드의 차단주파수(30~40GHz) 대비 최대 10배 이상 향상된 300~400 GHz 수준의 초고속 차단주파수를 달성했다.
돔(Dome) 형태로 형성된 공기층의 최대 높이는 원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscopy)과 단면 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy)을 통해 약 200nm 수준임을 확인했다. 아울러 해당 값은 공정 중 발생하는 응력을 기반으로 한 유한요소해석(FEM, Finite Element Method)을 통해 이론적으로도 검증됐다(그림 1).
이후 연구팀은 공기층의 너비와 높이를 공학적으로 제어해 다이오드의 총 정전용량을 정밀하게 조절하고, 이에 따라 차단주파수를 원하는 값으로 설정할 수 있음을 확인했다. 해당 결과는 연구팀이 제안한 등가회로 모델의 시뮬레이션을 통해서도 다시 한번 검증됐다.
공학적 제어 방법이란, 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition)으로 형성한 산화알루미늄(Al₂O₃) 막을 패터닝 및 식각하는 공정을 통해 높이 100nm의 정사각형 공기층을 서로 다른 면적으로 제작하고, 이를 각 소자에 적용하는 기술을 의미한다(그림 2: 공기층 및 등가회로를 포함한 소자 모식도와 차단주파수 결정을 위한 임피던스 곡선 개형).
연구진은 나아가 공기층을 적용한 초고속 RF 다이오드 정류 회로를 제작하고, 실제로 초고속 RF 에너지가 직류 전압으로 하베스트(Harvest)되는 현상을 관찰했다. 그 결과, 30 mV 이상의 직류 전압이 초기값 감소 없이 측정 한계 주파수인 40GHz에서도 확인됐다. 이는 박막 반도체 물질을 적용한 소자 분야에서 세계 최초의 측정 사례로 평가된다.
이번 연구는 연세대의 대표 연구 지원 사업인 ‘연세 시그니처 클러스터 사업’의 단독 지원을 받아 수행됐다.
(논문 정보)
1. 논문명: Above 300 GHz Ultrafast Cutoff Frequency Achieved via AirGap-Induced Capacitance in van der Waals ReSe2 Schottky Diodes
2. 저자정보 : 홍성재 (제1저자, 연세대 박사), 이규 (공동 제1저자, 연세대 박사과정), 임재호 교수(홍익대 전자공학과, 제2교신 저자), 임성일 교수(연세대 물리학과, 제1교신 저자) 등 총 9명
3. 논문 주소: doi.org/10.1002/adfm.202527171