반도체 선폭 '나노미터' 한계 극복..초극미세 반도체 소자 가능성 '확인'

IBS, 2차원 흑린 이용해 선폭 4.3옹스트롬 구현
반도체 소자 전극 사용해 2나노미터 이하 형성

IBS 다차원 탄소재료 연구단은 2차원 반도체 물질인 흑린을 이용해 나노미터 수준의 선폭을 뛰어넘는 4.3 옹스트롬(100억분의 1m)의 전도성 채널을 구현하는 데 성공했다. 사진은 흑린 사이에 형성된 나노 단위 미만 선폭의 전도성 채널 모습 IBS 제공

2차원 흑린을 이용해 선폭 4.3 옹스트롬 전도성 채널을 구현한 연구성과가 '나노 레터스' 표지논문에 실렸다. IBS 제공

반도체는 회로 선폭을 가늘게 만들수록 단위 면적당 더 많은 소자를 집적할 수 있다. 산업계에선 반도체 선폭을 미세화하기 위한 기술 경쟁이 펼쳐지고 있으며, 현재는 5나노미터 선폭의 반도체가 상용화에 들어섰다.

국내 연구진이 이 같은 나노미터 한계를 뛰어 넘어 옹스트롬 수준의 초극미세 반도체 소자 가능성을 실험적으로 입증했다.

기초과학연구원(IBS)은 이종훈 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(UNIST 교수)와 펑딩 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀은 차세대 2차원 물질인 흑린을 이용해 선폭 4.3옹스트롬(100억분의 1m)의 전도성 채널을 구현하는 데 성공했다고 30일 밝혔다.

연구팀은 그래핀을 대체할 차세대 반도체 소자로 주목받고 있는 2차원 흑린을 이용했다. 흑린은 두께가 원자 한 층 정도여서 실리콘 기반 반도체로 구현하기 힘든 유연하고 투명한 소자에 적용할 수 있다.

또 2차원 반도체 소자 중 전자이동도가 가장 커 그래핀과 달리 '밴드갭'이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 등 제어도 쉽다.

하지만 흑린 등 2차원 물질을 실제 소자화하는 공정에서 발생하는 결함으로 인해 활용이 어려웠다.

연구팀은 다층의 2차원 흑린 각 층에 구리 원자를 삽입한 뒤, 구리 원자가 0.43㎚ 미세한 폭을 유지할 수 있도록 만드는 데 성공했다. 이를 원자분해능 투과전자현미경으로 규명했고, 0.43㎚ 두께의 전도성 채널을 반도체 소자 전극으로 사용해 전도체와 반도체, 전도체로 이뤄진 반도체의 기본 소자 구조를 2㎚ 이하 수준에서 형성할 수 있음을 연구팀은 확인했다.

이석우 IBS 연구원(논문 제1저자)은 "2차원 반도체 물질인 흑린을 이용한 초미세 반도체 소자 실현 가능성을 보여준 연구"라며 "기존 나노미터 한계를 극복한 초극미세 소자로 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 나노분야 국제 학술지 '나노 레터스(지난 29일자)' 표지 논문으로 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr