카이스트-성대 연구진, 막힘 없이 전기 흐르는 반도체 개발

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세줄 요약

• 2차원 소재 내 준금속·반도체 연속 구현
• 전기 병목현상 완화 구조 세계 최초 입증
• AFM으로 전하 이동 나노미터 관찰 성공

국내 연구진이 반도체의 성능을 떨어뜨리고 전력 낭비를 일으키는 전기 병목현상 해결법을 처음 개발했다.

이번 연구에 참여한 연구자들. 왼쪽부터 강기범 카이스트 교수, 견민승 박사, 김연규 박사과정 연구원, 홍승범 교수. 홍지훈 성균관대 박사과정 연구원, 조성범 성균관대교수(위쪽 동그라미 왼쪽부터)

카이스트 제공

카이스트 신소재공학과, 성균관대 신소재공학과 공동 연구팀은 차세대 반도체 소자로 주목받는 2차원 소재에서 전기가 막힘없이 흐르는 새로운 구조를 설계하고 이를 나노미터 수준에서 직접 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다. 이 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘매터’(Matter) 7월호에 실렸다.

반도체는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 접촉 저항이 발생해 성능이 떨어지고 전력 손실이 발생한다. 반도체가 점점 작아질수록 접촉 저항의 영향은 더욱 커져 차세대 반도체 개발의 가장 큰 기술적 난제로 꼽혔다.

연구팀은 이 같은 전기 병목현상을 막기 위해 금속 전극을 반도체 위에 붙이는 대신 원자 한두 층 두께의 2차원 소재 안에 금속처럼 전기가 잘 흐르는 성질의 준금속과 반도체 영역을 연속적으로 구현했다. 연구팀은 원자층 두께의 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드 하나의 박막 안에 준금속과 반도체 영역을 연속적으로 만든 것이다. 같은 소재 안에서 두 영역이 자연스럽게 이어지도록 해 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있음을 세계 최초로 입증했다.

연구팀은 탐침으로 표면과 전기적 특성을 원자 수준까지 측정할 수 있는 원자힘현미경(AFM)으로 박막 내부에서 전하가 이동하는 모습을 나노미터 수준에서 직접 관찰하는 데도 성공했다. 이를 통해 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 이동할 때 흐름이 막히거나 방향이 꺾이는 ‘전기 병목현상’ 없이 자연스럽게 이어지는 것도 처음 관찰했다. 단일 소재 내에 준금속과 반도체 영역을 연속 구현하면 전류의 흐름이 방해되지 않는다는 사실을 실험적으로 처음 입증한 것이다.

홍승범 카이스트 신소재공학과 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인한 첫 사례”라며 “단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 만큼 인공지능(AI) 반도체, 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체 등 미래 반도체 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 설명했다.

막힘 없이 전기 흐르는 2차원 소재 반도체 개념 설명 이미지



카이스트 제공

유용하 과학전문기자