고성능 초박막 반도체 소자를 원하는 형태로 합성 성공
차세대 반도체 구현하는 데 도움 될 것
(내외방송=정지원 과학전문 기자) 더 싸고 작으면서도 성능이 좋은 반도체를 개발하는 '모어 무어(More Moore)' 기술에 탄력이 붙으면서 반도세 소자 미세화가 앞당겨질 것으로 전망된다.
모어 무어 반도체는 반도체 소자를 구성하는 실리콘 반도체 대신 새로운 2차원 소재를 이용해 한계를 극복하려는 움직임을 말한다.
UNIST는 5일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "권순용, 이종훈 신소재공학과 교수 연구팀이 반도체 물질과 초미세 금속 전극이 0.7나노미터(nm, 10억 분의 1m)를 두고 수평으로 접합된 고성능 초박막 반도체 소자를 원하는 형태로 합성하는 데 성공했다"고 밝혔다.
반도체 소자 속 반도체와 금속 사이를 1나노미터 이하로 줄이면서 고성능을 유지한 기술 덕분인데, 반도체 칩의 성능을 높일 수 있는 새로운 해결 방법이 나온 것이다.
연구팀은 전자가 원하는 때에 특정한 위치와 방향으로 움직여야 제대로 작동하는 반도체 소자의 특성을 충족하기 위해 고품질의 2차원 반도체에 걸맞은 2차원 금속 전극을 화학합성 과정에서 자연스럽게 맞붙도록 하는 방법을 찾았다.
2차원 반도체 물질인 '황화 몰리브데늄 화합물'이 2차원 금속인 '텔루륨화 백금 화합물'의 가장자리 표면에서 화학적으로 합성되도록 한 것이다.
제1저자인 송승욱 박사는 "일반적인 2차원 금속은 고온에서 불안정해 다양한 소자를 만들기 어렵지만, 2차원 텔루륨화 백금 화합물은 섭씨 825도의 고온에서도 안정적"이라고 설명했다.
금속 전극의 옆면 가장자리에 자연스럽게 반도체 물질이 합성되다 보니 둘의 접합면은 원자 3개 크기(0.7나노미터)로 얇고 소자 합성 과정에서 결함도 거의 발생하지 않았다.
이는 금속과 반도체 경계면의 에너지 장벽(쇼트키 장벽, 서로 다른 에너지를 갖는 금속과 반도체가 맞닿은 경우 전자가 넘어야 하는 장벽)이 이론치에 가깝게 아주 낮았고, 그만큼 전자 이동도 쉬워져 이상적인 '쇼트키-모트 법칙'을 따를 수 있었다.
연구팀은 이 기술을 이용해 2인치 상용 실리콘 웨이퍼(반도체 재료)에 2차원 금속으로 패턴을 만들고, 이를 주형(틀) 삼아 2차원 반도체를 화학적으로 조립했다.
이렇게 하면 2차원 반도체가 2차원 금속의 패턴을 따라 스스로 배열되면서 합성돼 '정렬된 2차원 반도체-금속 접합 소자'를 구현할 수 있다.
이는 상용화된 실리콘 웨이퍼 위에 대면적으로 제작하는 공정이어서 대량생산에 더 가까워졌다는 의미다.
권순용 교수는 "원자층 트랜지스터(전류를 조절하거나 증폭하는 스위치 역할) 내 반도체-금속 간 접합의 접촉 비저항과 전자 전송 길이가 지금껏 구현된 2차원 소자 중에서 가장 작기 때문에 초미세 집적회로에서 우수한 성능을 갖는 차세대 반도체를 구현하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.
이 연구는 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난달 22일 출판됐으며 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업과 중견연구자지원사업, IBS 다차원탄소재료연구단, UNIST 미래선도형 특성화사업의 지원을 받아 수행됐다(논문명: Atomic transistors based on seamless lateral metal-semiconductor junctions with sub-1-nm transfer length).
