2차원 반도체 소자 '전기 병목' 해결 실마리

대전=정일웅 기자

입력 2026.07.13 08:29

2차원 반도체 소자의 고질적 문제인 전기 병목현상을 해결할 실마리가 제시됐다. 단일 백금 이셀레나이드(Platinum Diselenide) 안에서 원자층의 두께를 조절해 금속-반도체 간의 단일 구조체 이종 접합을 구현하는 원리다. 또 원자현미경(AFM)으로 계면을 가로지르는 전하의 이동을 시각화해 병목현상 해소를 실험적으로 확인했다.

AI로 만든 연구 개념도. KAIST

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 신소재공학과 강기범 교수·성균관대 조성범 교수 연구팀과 공동으로 2차원 소재(원자 1~2개 층 두께의 초박막 소재)에서 전기가 막힘없이 흐르는 새로운 구조를 구현, 이를 나노미터(㎚·10억분의 1m) 수준에서 직접 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다.

금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 전기가 흐를 때 발생하는 저항(접촉 저항)은 반도체 전력 손실을 야기한다. 특히 반도체가 작아질수록 접촉 저항의 영향은 커져 차세대 반도체 개발을 위해 넘어야 할 장벽이 된다.

연구팀은 금속 전극을 반도체 위에 붙이는 기존 방식 대신, 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드 박막 안에서 금속처럼 전기가 통하는 '준금속' 영역과 반도체 영역을 연속적으로 잇는 데 성공했다.

이는 하나의 소재 안에서 두 영역이 자연스럽게 이어지는 단일체(하나의 소재를 끊김 없이 연속적으로 형성한 구조)로 전류가 경계에서 막히지 않고 통할 수 있게 한다는 점에서 의미를 갖는다.

(왼쪽부터) KAIST 강기범 교수·견민승 박사·김연규 박사과정·홍승범 교수, (상단 왼쪽부터) 성균관대 홍지훈 박사과정·조성범 교수. KAIST

연구팀은 원자현미경을 이용해 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 이동할 때 흐름이 막히거나 방향이 꺾이는 '전기 병목현상' 없이 자연스럽게 이어지는 것도 확인했다. 박막 내부에서 전하가 이동하는 것을 ㎚ 수준으로 시각화해 단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는 것을 실험적으로 입증한 세계 첫 사례다.

반도체 영역에 실제 트랜지스터처럼 전기장을 가해 동작을 검증했을 때도 금속-반도체가 결합된 구조에서 전류의 흐름이 안정적으로 제어되는 것이 확인돼 차세대 전자소자로서의 활용 가능성도 입증했다. 트랜지스터는 전류의 흐름을 제어하는 반도체의 기본 소자다.

연구는 2차원 소재를 이용한 차세대 반도체 소자의 접촉 저항을 획기적으로 줄일 수 있는 원천기술로, 향후 인공지능(AI) 반도체·초저전력 반도체·차세대 로직 반도체 등 미래 반도체 기술 개발과정에서 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

홍 교수는 "2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 과정을 나노미터 수준에서 직접 확인한 것은 이번이 세계 첫 사례"라며 "단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는 것을 실험적으로 입증한 만큼, 이번 연구 성과는 향후 차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결하는 데 핵심 원천기술로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.