원자 3개 두께 반도체에 방탄 필터 씌웠더니 전류 260배 뛰었다
유용하 기자
수정 2026-09-07 12:00
입력 2026-09-07 12:00
세줄 요약
- 2차원 반도체 상용화 막는 접촉저항 문제 지적
- 이중 보호층으로 플라즈마 손상 없이 도핑 구현
- 전류 최대 260배 증가, 저전력 소자 기대
네이처 제공
인공지능(AI), 사물인터넷, 로봇 등 그야말로 우리 주변 모든 전자기기에 반도체가 활용되면서 효율은 높지만 작고 얇은 제품을 만들기 위한 경쟁이 치열하다. 그래서 등장한 것이 원자 한 층에 해당하는 0.7㎚(나노미터) 두께의 2차원 반도체다. 2차원 반도체의 대표 소재로 몰리브덴 원자 하나 위아래로 황 원자가 하나씩 붙은 이황화몰리브덴이다. 종이 한 장보다 10만 배 얇은 판이다. 소자가 얇으면 아무리 미세하게 깎아도 전류를 여닫는 제어력이 흐트러지지 않는다는 장점 때문에 실리콘 반도체를 대체할 것으로 기대된다.
2차원 반도체가 등장한 지 10년이 넘었지만 상용화는 아직 요원하다. 반도체 소자는 금속 전극에서 반도체로 전자가 갈아타는 지점이 있는데 여기서 생기는 저항을 ‘접촉저항’이라고 한다. 뻥 뚫린 고속도로에서 갑자기 1차선 진입 램프가 나타나는 격이다. 2차원 반도체는 채널 자체 성능이 아무리 좋아도 접촉저항 때문에 성능이 떨어지게 된다.
실리콘 반도체에서는 도핑 기술을 이용해 전극이 닿는 부분에만 불순물을 넣어 전자를 잔뜩 채워두면 저항이 떨어진다. 그러나 2차원 반도체는 원자 세 겹짜리로 실리콘 반도체에서처럼 이온을 가속해 총알처럼 박는 이온 주입 공정을 사용하면 판 자체가 뚫리게 된다. 도핑을 하다가 반도체를 망가뜨리게 된다는 것이다. 화학 반응성이 높은 입자를 만들어주지만 동시에 강한 물리적 충격으로 결정 구조를 깎아내는 플라즈마 처리도 2차원 반도체에서는 사용이 쉽지 않다.
카이스트 전기및전자공학부 연구팀은 플라즈마 처리 시 그 앞에 막을 한 겹 세우는 방식으로 이런 문제를 해결할 수 있다고 7일 밝혔다. 이 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 실렸다.
한국연구재단 제공
연구팀은 이황화몰리브덴 위에 고분자 절연막을 얇게 깔고 그 위에 산화알루미늄을 덧씌우는 방식으로 2㎚ 두께의 이중 보호층을 만들었다. 아래층 고분자는 원자 하나 수준으로 울퉁불퉁한 2차원 표면을 덮어 계면 결함을 보완하고 위층 산화막은 플라즈마의 물리적 충격을 받아내는 것이다. 충격은 튕겨내고 필요한 화학 물질만 들여보내는 선택적 화학 필터이다. 방탄유리와 정수기 필터를 한 장에 겹쳐놓은 것과 같다.
그 결과 결정 구조는 그대로 보존된 채 전자 농도는 높아지고 접촉저항은 기존 2차원 반도체 대비 32분의 1 수준으로 떨어졌다. 연구팀은 양자역학 방정식으로 물질 거동을 계산한 결과 실리콘 반도체처럼 도핑을 하면서 소재 품질까지 개선되는 것으로 나타났다.
연구팀은 전류가 지나는 길목 중 저항이 문제가 되는 지점만 골라 도핑하는 ‘영역 선택적 저항 제어’도 구현했다. 이렇게 만든 소자는 낮은 전압에서 흐르는 전류가 최대 260배까지 늘었다. 같은 일을 훨씬 적은 전력으로 해낼 수 있다는 의미다. 스마트폰과 전기 소모가 큰 데이터센터에서 저전압 구동은 성능만큼 중요한 지표다.
연구를 이끈 최성률 교수는 “이번 기술은 초미세 저전력 논리소자와 모노폴리식 3차원 반도체, 2차원 CMOS 회로에 사용될 것으로 기대된다”면서 “실제 반도체 제조공정에 적용하기 위해서는 도핑 균일성 검증, 공정시간 단축, 극도로 미세화된 소자에서의 도핑 영역 제어 등에 대한 추가적인 검증이 필요하다”고 설명했다.
유용하 과학전문기자
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