2차원 반도체 안 망가뜨리고 '선택 도핑'…전류 최대 260배[과학을읽다]

KAIST, 2㎚ 이중 보호층으로 플라즈마 손상 차단
필요한 곳만 선택 도핑…접촉저항 32분의 1로 낮춰

원자 한 층 수준으로 얇은 2차원 반도체를 손상시키지 않고 원하는 곳만 골라 도핑하는 기술이 개발됐다. 차세대 반도체 소재의 난제로 꼽혔던 '도핑 과정의 원자층 손상'을 해결하면서 접촉저항은 32분의 1로 낮추고, 낮은 전압에서 흐르는 전류는 최대 260배까지 높였다.

한국연구재단(NRF)은 최성율·김용훈·강기범 한국과학기술원(KAIST) 교수 공동연구팀이 초박막 이중 보호층을 이용해 이황화몰리브덴(MoS₂) 2차원 반도체의 결정 구조를 보호하면서 필요한 영역에 고농도로 전자를 도핑하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

초박막 보호층을 이용한 2차원 반도체 도핑 원리. 이중 보호층이 플라즈마의 물리적 충격은 차단하고 도핑에 필요한 NHx 활성종만 통과시켜, MoS₂ 결정구조를 손상시키지 않으면서 전자 농도를 높인다. 연구팀 제공

2차원 반도체는 원자 한 층 수준으로 얇으면서도 전기적 특성을 유지할 수 있어 기존 실리콘의 미세화 한계를 넘어설 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 문제는 '도핑'이다. 반도체의 전기적 특성을 조절하고 저항을 낮추려면 특정 물질을 넣어 전자 농도를 바꿔야 하는데, 기존 플라즈마 기반 공정을 적용하면 높은 에너지를 가진 입자가 얇은 원자층에 충돌해 결정 구조를 훼손할 수 있다.

연구팀은 두께 약 2㎚의 서로 다른 초박막을 쌓아 만든 이중 보호층으로 이 문제를 해결했다. 보호층은 플라즈마에서 날아오는 고에너지 입자의 물리적 충격은 막으면서 도핑에 필요한 NHx 활성종은 통과시키는 일종의 '화학 필터' 역할을 한다.

플라즈마 충격은 막고 도핑 물질만 통과

이를 이용하면 2차원 반도체의 결정 구조를 유지하면서 전자 농도를 높일 수 있다. 연구팀은 이 방식으로 반도체와 전극 사이의 접촉저항을 기존 대비 32분의 1 수준으로 낮추는 데 성공했다.

특히 반도체 전체가 아니라 전자가 이동하는 경로 가운데 저항을 낮춰야 할 특정 영역만 골라 도핑하는 '영역 선택적 저항 제어'도 구현했다. 그 결과 매우 낮은 전압 조건에서 흐르는 전류를 최대 260배까지 높였다.

이번 기술은 원자층을 훼손하지 않으면서 원하는 위치의 전기적 특성만 바꿀 수 있다는 게 특징이다. 향후 초미세 저전력 논리소자를 비롯해 하나의 웨이퍼 위에 반도체 층을 연속적으로 쌓는 모놀리식 3차원 반도체와 2차원 소재 기반 CMOS 등에 활용될 가능성이 있다.

다만 실제 반도체 제조공정에 적용하기까지는 추가 검증이 필요하다. 최성율 KAIST 교수는 "실제 반도체 제조공정에 적용하기 위해서는 도핑 균일성 검증, 공정시간 단축, 극도로 미세화된 소자에서의 도핑 영역 제어 등에 대한 추가적인 검증이 필요하다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술 개발사업과 중견연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난달 1일 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr