원자 바꿔 2D 반도체 소재 자유자재로…차세대 고성능 소자 구현

원자 바꿔 2D 반도체 소재 자유자재로…차세대 고성능 소자 구현
IBS, 선택적 원자 치환으로 반도체·절연막·준금속 구현
모듈형 트랜지스터 제작 기술로 새로운 공정 제시…사이언스 게재


(서울=연합뉴스) 조승한 기자 = 차세대 반도체 핵심 소재인 '2차원 반도체'를 원자층 단위로 정교하게 가공하는 기술이 개발됐다.
복잡한 물질 적층 공정 없이 초미세·저전력 반도체를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다.

◇ 원자 선택적 치환으로 2D 반도체·절연체·준금속 구현
과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장(포스텍 석학교수) 연구팀이 2차원 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 바꿔 박막에 반도체·절연체·준금속 영역을 원하는 층과 위치에 구현하는 '모듈형 트랜지스터 제작 기술'을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 이날 세계 최고 권위 국제학술지 '사이언스'에 실렸다.
원자층 두께로 전류를 제어할 수 있는 2차원 반도체는 기존 실리콘 반도체의 미세화 한계를 극복할 소재로 주목받고 있다.
하지만 실제 전자소자로 구현하려면 서로 다른 물질을 정교하게 집적해야 하는 게 기술적 난제다.
트랜지스터는 전류가 흐르는 반도체, 이를 제어하기 위한 절연막, 전류가 드나드는 금속 전극이 필요하지만 2차원 반도체는 다른 물질과 화학적으로 잘 결합하지 않아 절연막을 균일하게 입히기 어렵다.
금속 전극을 직접 붙이면 접촉면이 손상되거나 저항이 커져 성능이 떨어지고, 서로 다른 얇은 물질을 한 장씩 쌓는 방법은 공정이 복잡해 대량 생산에 한계가 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 2차원 반도체를 이루는 원자를 선택적으로 바뀌 필요한 물질을 원하는 위치에 직접 만드는 방식을 개발했다.
p형 반도체인 이셀레늄화텅스텐에서 중심 텅스텐 원자는 두고 주변 셀레늄 원자만 바꿔 물질의 전기적 성질이 달라지게 한 것이다.
셀레늄 원자를 산소, 황, 텔루륨으로 치환해 절연체인 산화텅스텐, n형 반도체인 이황화텅스텐, 전기가 잘 통하는 준금속인 이텔루륨화텅스텐으로 변환한 것이다.
이 과정에서 박막 층과 층 사이 미세한 틈이 반응 원자 이동을 가로막는 장벽으로 작용하는 점을 이용해 화학반응이 다음 층으로 넘어가는 것을 제어했다.
이를 통해 0.7나노미터(㎚, 10억분의 1m) 두께 원자층 단위로 물질을 변환하고, 반도체 공정용 마스크를 활용해 평면상 원하는 위치만 선택적으로 바꾸는 데도 성공했다.

◇ 초미세 트랜지스터 성능 입증…저전력·적층형 반도체 확장 기대
연구팀은 이 기술을 적용해 하나의 박막에 반도체와 절연막, 준금속 전극 접합층을 갖춘 모듈형 트랜지스터를 구현했다.
분석 결과 금속 전극에서 반도체로 전하가 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 전극을 직접 붙일 때 대비 3분의 1 수준인 35.5밀리전자볼트(meV)까지 낮아졌다.
또 전류를 켜고 끄는 성능도 이론 한계에 근접했다.
전류를 10배로 바꾸는 데 필요한 게이트 전압 변화량은 61.3밀리볼트(mV)로 상온에서 기존 방식의 트랜지스터가 도달할 수 있는 이론적 최솟값인 약 60mV에 가까웠다.
커진 상태와 꺼진 상태 전류 비율도 1천만배 이상 차이가 나 적은 전압 변화로도 전류를 안정적으로 제어했다.
산화텅스텐 절연막도 전기적 성능을 두께로 환산한 등가산화막두께(EOT)가 1㎚으로 국제 반도체 로드맵의 초미세 소자 성능 목표를 달성했다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 p형과 n형 트랜지스터를 수직으로 쌓은 상보형 인버터도 제작해 적층형 집적회로 확장 가능성도 확인했다.
조 단장은 "원자 단위 물질 조작이라는 기초 물질과학의 기법을 현대 반도체 기술에 접목해 미래 반도체 기술의 질적 도약을 위한 돌파구를 마련했다는 데 의미가 있다"며 "초저전력·초미세 반도체는 물론 차세대 적층형 반도체 소자 기술로도 확장될 수 있을 것"이라고 말했다.

shjo@yna.co.kr
(끝)


<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포, AI 학습 및 활용 금지>