대면적 고성능 2차원 반도체 전자소자 개발…고집적 한계 실리콘 반도체 대안

슬롯 다이 코팅 기법을 활용해 절연층(SEA)과 반도체층(MoS2)을 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하고 트랜지스터 전자소자를 제작한 모습. 사진=조정호 연세대 교수

우리 연구진이 대면적으로 제작 가능한 고성능 2차원 반도체 전자소자 개발에 성공했다. 고집적 한계에 직면한 실리콘 반도체 소자의 대안으로 주목받는다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 조정호 연세대 교수, 강주훈 성균관대 교수 공동연구팀이 이온이 주입된 형태의 절연층을 활용한 고성능 대면적 2차원 반도체 전자소자를 개발했다고 24일 밝혔다.

두께가 원자 단위인 2차원 반도체 소재는 고집적도 칩 생산이 가능하지만, 이론 대비 성능이 낮고 대면적 제작이 쉽지 않아 제품화가 어렵다.

연구팀은 전기적 특성이 우수하고 대면적 생산이 가능한 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)에 이온이 주입된 절연층을 도입한 고성능 MoS₂/SEA 반도체 전자소자를 개발해 실마리를 찾았다.

또 고성능 MoS₂를 용액공정으로 대량 합성하고 잉크 형태로 제작 후 반도체 산업에서 활용하는 슬롯 다이 코팅기법(반도체 웨이퍼 표면에 정확한 두께의 코팅을 형성하는 기술)으로 절연층과 반도체층 모두 5인치 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하는 공정도 개발했다.

연구팀이 이온이 주입된 절연층을 활용해 고성능 MoS₂ 트랜지스터 전자소자 구동을 확인한 결과 최고 전하 이동도가 100㎠ V^-1 s^-1 이상이었다.

이는 기존 용액공정 기반 MoS2 트랜지스터의 전하 이동도가 산화 실리콘 기판에서 약 1~5㎠ V^-1 s^-1임과 비교해 최고 100배 이상 향상된 결과다.

높은 전하 이동도의 원인을 밝히기 위해 전하 수송 현상과 절연 소재 일함수를 분석한 결과 MoS₂/SEA 반도체 전자소자에서 전하의 이상적인 이동도 관찰됐다.

더불어 연구팀은 MoS₂/SEA 반도체 전자소자를 활용해 다양한 로직 회로를 구현하고 실제 전자 제품에 응용 가능성을 입증했다.

조정호 교수는 “이번에 개발한 전자소자는 대면적에 코팅한 MoS₂ 트랜지스터 중 최고 성능을 달성해 2차원 반도체 소재 고성능 소자화 및 대면적화를 동시에 만족하는 방법을 제시함은 물론 2차원 반도체 소자 실용화 가능성을 높였다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 지난 6월 9일 실렸다.

이인희 기자 leeih@etnews.com