국내 연구진이 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 바꿔 하나의 얇은 박막에 반도체와 절연막, 전극 접합층을 구현하는 기술을 개발했다. 서로 다른 소재를 쌓아야 했던 기존 공정의 한계를 극복해 초미세·저전력 반도체 개발에 기여할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장 연구팀이 '모듈형 트랜지스터 제작 기술'을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스'(Science)에 게재됐다.

원자층 수준으로 얇게 만들 수 있는 2차원 반도체는 기존 실리콘 반도체의 미세화 한계를 극복할 차세대 소재로 주목받고 있다.

그러나 트랜지스터를 만들려면 전류가 흐르는 반도체와 이를 제어하는 절연막, 전류가 드나드는 전극 등을 결합해야 한다. 2차원 반도체는 다른 물질과 잘 결합하지 않아 절연막을 균일하게 형성하기 어렵고, 금속 전극을 직접 붙이면 저항이 커져 성능이 떨어질 수 있다.

연구팀은 서로 다른 소재를 쌓는 대신 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 바꾸는 방법을 고안했다.

연구에 사용한 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)은 텅스텐 원자층을 셀레늄 원자층이 위아래로 감싼 구조다. 연구팀은 셀레늄 원자를 산소, 황, 텔루륨으로 치환해 각각 절연체인 산화텅스텐(WOₓ), n형 반도체인 이황화텅스텐(WS₂), 준금속인 이텔루륨화텅스텐(WTe₂)으로 변환했다.

반응 온도와 기체 압력을 조절해 약 0.7나노미터(㎚·10억분의 1m) 두께의 원자층 단위로 물질을 바꾸는 데 성공했다. 반도체 공정용 마스크를 활용해 원하는 위치만 선택적으로 변환하는 기술도 구현했다.

이를 통해 하나의 박막에 반도체와 절연막, 준금속 전극 접합층을 갖춘 트랜지스터를 제작했다.

성능도 우수했다. 전류를 10배 변화시키는 데 필요한 게이트 전압의 변화량은 61.3밀리볼트(㎷)로, 상온에서 기존 방식의 트랜지스터가 도달할 수 있는 이론적 최솟값인 약 60㎷에 근접했다.

전류가 켜진 상태와 꺼진 상태의 비율은 1000만 배 이상이었으며, 절연막의 전기적 성능을 두께로 환산한 등가산화막두께(EOT)도 1나노미터 미만을 기록했다.

연구팀은 p형과 n형 트랜지스터를 수직으로 쌓아 1볼트(V)의 낮은 전압에서 작동하는 상보형 인버터도 제작했다. 향후 적층형 집적회로로 기술을 확장할 수 있는 가능성을 확인한 것이다.

조문호 IBS 단장은 "원자 단위 물질 조작이라는 기초 물질과학의 기법을 현대 반도체 기술에 접목해 미래 반도체 기술의 질적 도약을 위한 돌파구를 마련했다"며 "초저전력·초미세 반도체는 물론 차세대 적층형 반도체 소자 기술로도 확장될 수 있을 것"이라고 말했다.

yjra@news1.kr