- 국제 저명 학술지 ‘Journal of Materials Science & Technology’에 게재돼
고려대학교 전기전자공학부 김태근 교수와 성균관대학교 첨단소재공학부 이내응 교수가 이끄는 연구팀은 전이금속 셀레나이드 반응 기술과 Au 나노입자가 도핑된 그래핀을 활용하여, 인공 시냅스 기능을 갖는 초박형 수직 박막 트랜지스터 (VTFT)를 데모하는 데 성공했다.
* 전이 금속 (transition metal) : 주기율표의 중앙에 있는 10개의 3~12족에 속하는 원소들을 말하며, 모든 전이 원소들은 금속에 속하므로, 전이 금속이라고 한다. 열과 전기를 잘 통하고, 다양한 산화수를 갖는 특징이 있다.
* 수직 박막 트랜지스터 (vertical thin film transistor, VTFT) : 수평 방향의 채널을 가지는 일반 트랜지스터와 달리 수직 방향의 채널을 형성하는 트랜지스터이다.
연구 성과는 그 중요성을 인정받아 해당 분야 국제 저명 학술지인 Journal of Materials Science & Technology [IF: 10.9, JCR (Journal Citation Reports): 상위 1.9%]에 2023년 12월 온라인 게재됐다.
* 논문제목: Ultra-thin Vertical TFT Photosensor and Photosynapse Based on Au-Doped- Graphene under Transition Metal Selenide Reaction
* 저널명: Journal of Materials Science & Technology, 2023
* 저자: Ting Kang (1저자/고려대학교), Adila Rani (공동1저자/고려대학교), Wanqi Ren (공동저자/고려대학교), M Junaid Sultan (공동저자/성균관대학교), 이내응 (공동교신저자/성균관대학교), 김태근 (교신저자/고려대학교)
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.029
포토닉스와 뉴로모픽을 결합한 혁신적인 개념을 바탕으로 고감도 및 생체 모방 특성을 가진 인공 감광 시냅스의 개발은 고 집적화와 유연성을 실현하는 지능형 비전 시스템 구현을 위해 매우 중요하다. 이를 위해 최근 그래핀 이중 접합 구조의 감광성 시냅스 트랜지스터가 많이 연구되고 있으나, 종래의 트랜지스터에 비해 초단채널 및 고집적도 등 장점을 갖는 수직 박막 트랜지스터 (VTFT) 기반의 감광성 시냅스에 대한 연구는 아직 보고된 바 없다.
연구팀은 초박형 그래핀/텅스텐 디셀레나이드 (WxSex-1) 이종 접합을 기반으로 하는 광학 시냅스 기능을 갖는 새로운 VTFT를 개발하는데 성공했다. 대면적 제작을 위해 간단하고 쉽게 반복 가능한 전이금속 셀레나이드 반응 방법을 사용하여 WxSex-1 초단채널 층 (약 8 nm)을 제작했다. 또한, 그래핀 소스 전극 표면에 Au 나노 입자를 도핑함으로써 그래핀과 채널층의 접촉 장벽을 조절하여 정공 주입의 효과를 개선함으로써 소자 효율을 향상시켰다. 동시에 광 시냅스 응용에서 발생된 플라즈마 핫 전자가 WxSex-1 채널 층에도 큰 영향을 미쳐 소자의 광 시냅스 거동을 흥분성 (excitatory)에서 억제성 (inhibitory)으로 성공적으로 변화시켰다.
* 이종 접합 (hetero junction) : 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지는 다른 종류의 반도체 물질 간의 접합이다.
더욱이 Au 나노 입자가 도핑된 그래핀/WxSex-1 반데르발스 이중 접합 구조가 적용된 VTFT 소자는 높은 전류 변조 비율 (> 104)과 우수한 이동도 (~65.52 cm2 V-1s-1) 특성을 보였으며, 소자의 감광 반응도 최대치도 14 AW-1에 달했다.
전이금속 셀레나이드 반응 기술 기반으로 제작된 VTFT 소자가 대면적 제작에 용이하고 높은 전류 변조 비율을 가질 뿐만 아니라 광 감각 인공 시냅스 기능까지 수행할 수 있음을 보여주는 이번 연구 결과는 한국연구재단이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원을 받아 수행됐다.
