"n형·p형 전극 하나로" 2차원 반도체 범용 주입기 개발

"n형과 p형에 각각 다른 전극을 사용하던 기존 방식에서 벗어나 하나의 소재로 두 종류의 초박막 반도체에 모두 전기를 효과적으로 공급할 수 있게 한 것이 이번 연구의 핵심입니다."

KAIST는 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 연세대, 중국 베이징 계산과학연구센터, 한국과학기술연구원(KIST), 울산과학기술원(UNIST), 삼성전자 연구팀과 공동으로 '범용 반데르발스 터널링 주입기'를 개발했다고 16일 밝혔다.

범용 반데르발스 터널링 주입기는 이셀레늄화주석(SnSe2)이라는 하나의 소재로 서로 다른 두 종류의 초박막 반도체 모두에 전기를 원활하게 공급하는 역할을 한다.

AI 생성 이미지. KAIST

최근 '2차원 반도체'가 주목받는다. 두께가 원자 몇 개 수준에 불과해 같은 면적에 더 많은 소자를 넣는 방식으로 여러 층을 쌓을 수 있는 까닭이다. 반도체를 더 작게 만들고, 전력 소모를 줄이는 것도 2차원 반도체의 장점이다.

문제는 얇은 반도체에서 전기가 원활하게 흐를 수 있게 하는 것이 어렵다는 점이다. 기존처럼 금속 전극을 직접 붙이면 제조 과정에서 반도체가 손상되거나, 전자와 정공의 주입을 가로막는 장벽이 생길 수 있다. 고속도로를 만들어 놓고도 진입 자체가 어려워 정작 고속도로를 이용하지 못하는 것과 같다.

같은 이유로 초박막 반도체에서는 전기가 드나드는 입구 역할이 성능 향상에 관건이 된다. 여기에 n형과 p형의 전하 주입 조건이 서로 달라 전극을 각각 사용해야 하는 점도 2차원 반도체 활용에 걸림돌이 됐다.

공동연구팀은 이런 문제를 이셀레늄화주석으로 해결했다. 이셀레늄화주석은 주석(Sn)과 셀레늄(Se)으로 이뤄진 얇은 층상 소재로, 연결되는 반도체의 종류에 따라 전자나 정공이 지나가기 좋은 길을 다르게 만들어준다.

가령 p형 이셀레늄화텅스텐(WSe2)에서는 높은 에너지 장벽을 넘지 않고, 마치 터널을 통과하듯 지나가는 '밴드 간 터널링'이 일어난다. n형 이황화몰리브덴(MoS2)에서는 전기장을 이용해 전자가 지나가야 할 장벽을 얇게 만들어 터널링을 유도한다.

n형과 p형에 각각 다른 진입로가 필요했던 기존 조건과 다르게 이셀레늄화주석은 두 종류에 모두 적합한 '공용 진입로' 역할을 하는 셈이다.

이를 이용했을 때 성능도 눈에 띄게 향상됐다. 이셀레늄화주석을 적용한 p형 WSe2 트랜지스터는 기존 니켈 전극을 사용한 소자보다 최대 구동 전류가 1000배 이상 증가​했다. 이는 트랜지스터를 켰을 때 흘려보낼 수 있는 최대 전류가 그만큼 늘어난 것을 의미한다.

(왼쪽부터) 여정인 박사과정, 김성연 박사과정, 조한빈 박사과정, 서준기 교수, 양성욱 박사과정, 웬슈안 주(Wenxuan Zhu) 박사후 연구원, 도길환 석사과정, (상단) 고경민 교수. KAIST

n형 MoS2 트랜지스터 역시 전류를 켜고 끄는 성능이 개선돼 '온·오프 전류비'가 10억(109) 이상을 기록했다. 스위치를 켰을 때는 전기가 잘 흐르고, 껐을 때는 거의 흐르지 않도록 전류를 확실하게 제어할 수 있다는 의미다.

공동연구팀은 n형과 p형 트랜지스터를 결합한 반도체 회로의 기본 구조인 'CMOS 인버터'를 제작해 반복적인 전기 신호에도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.

서 교수는 "이번 연구는 단층 2차원 반도체에서 전하가 드나드는 관문을 한 종류의 소재로 해결할 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다"며 "공동연구팀은 향후 범용 주입기 기술을 기존 반도체 공정과 연결해 대면적 단층 로직회로와 적층형 능동 소자로 확장하는 것을 궁극적인 목표로 후속 연구를 이어갈 계획"이라고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 조한빈 박사과정생이 제1 저자, 연세대 고경민 교수와 KAIST 서준기 교수가 공동교신저자로 참여했다. 연구 성과는 최근 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)' 온라인판에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr