중국 연구진은 다층 GaTa(Gallium telluride)를 이용해서 고성능 포토트랜지스터(phototransistor)를 개발하는데 성공했다. 

새로운 재료로서, 2차원 적층 재료들은 2004년에 그래핀이 발견된 이후로 지난 십년 동안에 상당한 관심을 끌고 있다. 그래핀과 대조적으로, 2차원 반도체들은 밴드갭을 가지기 때문에 고성능 전자장치와 광전자장치의 빌딩 블록으로서 매우 유망하게 적용될 수 있다. 더 나아가, Si와 III-V 족의 재료와 같은 기존의 반도체 재료들과 비교했을 때, 2차원 적층형 반도체 재료는 다음과 같은 3가지 중요한 특징들을 가진다: 매우 얇은 두께, 매끄러운 표면, 플렉서블 장치와의 높은 호환성. 

GaTe는 III-VI 적층형 반도체 물질이다. MoS2와 WSe2와 같은 대부분의 전이금속 디칼코게니드(dichalcogenide)보다 더 나은 특성을 가진 GaTe는 상온의 단일층과 벌크 형태에서 약 1.7eV의 직접 밴드갭을 가진다. 이것은 GaTe가 다층 상태에서도 심지어 뛰어난 광전기적 특성들을 가질 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 복잡하고 더 적은 대칭적 결정 구조 때문에, GaTe에 대해서는 많은 연구가 이루어지지 않고 있다. 

대부분의 금속 칼코겐화물 반도체들의 경우에, 이온 공공(양이온 또는 음이온)은 그들의 전기적 특성에 중요한 역할을 한다. 이런 결함은 이런 재료들의 전기적 특성에 큰 영향을 끼친다. 그러나 이런 결함이 장치 성능에 어떤 영향을 끼치는지는 체계적으로 조사되지 않고 있고, 물리적 메커니즘은 여전히 명확하지 않다. 장치 성능 저하에 대한 원인을 이해하는 것은 이런 재료를 기반으로 하는 장치 성능을 회복하고 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 찾는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 

이번 연구진은 백-게이트 다층 GaTe 나노시트를 기반으로 고성능 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)와 포토트랜지스터를 개발했다. 이번 연구진은 Ga 이온 공공이 상온에서 GaTe FET의 높은 오프-상태 전류, 낮은 온/오프 비율, 큰 히스테리시스(hysteresis)를 불러올 수 있는 중요한 요인이라는 것을 발견했다. 이번 연구진은 2000 이상의 높은 광이득(photogain)과 800 AW-1 이상의 높은 반응성을 가진 포토트랜지스터를 제조하는데 성공했다. 

중국 국립 나노과학기술 센터(National Center for Nanoscience and Technology of China)의 연구진은 온도에 따른 전류 전달 측정과 제 1 원리 계산(first-principles calculation)을 통해서 Ga 이온 공공이 높은 오프-상태 전류, GaTe FET의 낮은 온/오프 비율, 상온에서의 큰 히스테리시스를 가진다는 것을 발견했다. 액체 질소 온도에서 열적으로 활성화된 Ga 공공 결함을 억제함으로써, FET 특성들은 상당히 향상되었다. ~10^5의 온/오프 비율, ~10^-12A 오프-상태 전류, 미약한 게이트 히스테리시스를 가진 GaTe 나노시트 FET가 성공적으로 입증되었다. 

이 연구결과는 저널 ACS Nano에 “Role of Ga Vacancy on a Multilayer GaTe Phototransistor”라는 제목으로 게재되었고(DOI: 10.1021/nn500782n), 향후에 GaTe 트랜지스터의 실용적인 적용을 위한 장애물을 해결할 수 있기 때문에 GaTe 트랜지스터 성능 향상에 중요한 영향을 끼칠 수 있을 것이다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』