전류 정류·광응답 성능 동시 확보… 차세대 나노 전자·광소자 원천 기술 개척

부산대학교(총장 최재원) 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대, 인하대와 공동으로 머리카락 두께의 1만분의 1 수준 초소형 나노 다이오드를 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 수 나노미터(nm) 접촉 면적에서 전류를 정밀하게 제어하고, 동시에 빛을 감지하는 광응답 성능까지 확보하며 차세대 나노 전자·광소자 개발의 돌파구를 마련했다. 연구 성과는 재료과학 분야 권위 학술지 스몰(Small) 8월 14일자 온라인판에 게재됐다.

다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 전자 소자로, 반도체 소자의 기본이 되는 핵심 구조다. 하지만 소자의 크기를 극도로 줄이면 전류 흐름이 왜곡되거나 특성이 사라지는 문제가 발생해왔다. 연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 전도성 원자힘 현미경(CAFM)의 탐침(PtSi 팁)을 이용해 6.82 nm² 수준의 접촉 면적을 가진 나노 쇼트키 다이오드를 제작했다.

실험 결과, 초평탄 금 전극과 2차원 반도체 이황화몰리브덴(MoS₂)를 이용한 이 다이오드는 기존 대면적 다이오드에 비해 훨씬 높은 정류비를 나타냈다. 이는 접합부의 공핍 영역이 극도로 축소되면서 전류 흐름을 더욱 정밀하게 제어할 수 있었기 때문이다.

김지희 교수팀의 나노 다이오드는 단순한 전류 제어 소자를 넘어, 빛을 감지하는 광다이오드 기능도 수행했다. 연구진은 MoS₂의 두께, 빛의 파장, 조사 위치에 따른 단락전류·개방전압 등을 실험적으로 분석해 극도로 작은 접촉 면적에서도 광전 효과가 명확히 발현됨을 증명했다. 이는 나노 구조에서도 내부 전위 장벽이 충분히 형성될 수 있다는 사실을 입증한 것이다.

연구 제1저자인 성균관대 오세진 석박통합과정생은 “이번 성과는 초고밀도 메모리 소자, AR/VR 기기, 자율주행용 이미지 센서 등 미래 응용 기술에 새로운 아키텍처를 제시한다”고 설명했다.

김지희 교수는 “접촉 면적을 줄이면 성능이 저하될 것이라는 기존 통념을 깨고, 오히려 더 높은 민감도와 정류 특성을 구현했다”며, “전자 소자의 성능을 원자 단위에서 제어할 수 있는 새로운 기반 기술을 제시한 것”이라고 평가했다. 그는 이어 “이 결과는 차세대 통신 장치, 헬스 모니터링 시스템, 뉴로모픽 소자 등 다양한 나노미터급 응용 기술로 확장될 것”이라고 강조했다.