차세대 반도체 단점 극복한 다기능 소자 등장

KAIST 연구팀, 이황화 몰리브덴(MoS2) 기반 양극성 다기능 전자소자 개발
2차원 반도체 소재의 실용성 확장하고 향후 IC 소형화 기대
서로 다른 기능의 소자들로 구성된 맞춤형 반도체 제작 쉬어져

기존 실리콘 반도체보다 성능이 뛰어난 이황화 몰리브덴(MoS2)의 단점을 극복한 양극성 다기능 전자소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한계에 도달하고 있는 반도체 공정 미세화를 이어가기 위한 계기가 될지 주목된다.

KAIST 이가영 교수 팀이 개발한 이황화몰리브덴 소재 다기능 전자소자. 사진제공=KAIST

반도체의 발전은 회로 선폭을 줄이는 경쟁이다. 매년 반도체의 집적도가 2배로 늘어난다는 '무어의 법칙'은 이제 한계에 달했다. 미세공정을 확보해야 반도체를 소형화하고 발열과 전기 소모도 줄일 수 있지만 기존 실리콘 소재로는 한계가 분명하다는 우려도 커지고 있다.

이 때문에 차세대 반도체 소재로 2차원 반도체가 부상하고 있다. 2차원 소재는 원자층 하나의 두께를 가진 물질이다. 대표적인 예가 그래핀과 이황화몰리브덴(MoS2)이다. TSMC, 인텔과 같은 산업계에서도 활발한 연구가 이뤄지고 있다.

이중 이황화 몰리브덴은 전자가 흐르는 N형 반도체 특성을 가지면서 대기에서 안정적이다. 문제는 이황화 몰리브덴의 단점이 치명적이라는 점이다. P형 반도체로의 구현이 어렵다. 이황화 몰리브덴에 추가적인 공정을 도입하거나 다른 P형 물질을 사용하는 방법도 있지만, 공정 난이도가 높아 상용화 걸림돌이었다.

KAIST 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 개발한 양극성 반도체 특성을 가진 2차원 나노 반도체 기반의 다기능 전자 소자는 이황화몰리브덴의 단점을 극복하기 위한 중요한 전기로 기대되고 있다.

연구 요약 및 기존 소자와 비교한 신규 개발 소자 양극성 반도체 특성

이가영 교수 연구팀은 이황화 몰리브덴 단일 물질을 이용해 채널 하부에 전극을 배치하고 금속/반도체 접합 특성을 개선해 전자와 정공 모두 선택적으로 흐를 수 있는 양극성 특성을 구현하는 데 성공했다.

KAIST 전기및전자공학부 이가영 교수

(왼쪽부터) KAIST 전기및전자공학부 송준기 석박사통합과정, 이수연 석사과정

다기능 전자 소자란 기존 트랜지스터와 달리 전압에 따라 기능을 변환할 수 있는 소자다. 연구팀의 소자는 양극성 트랜지스터, N형 트랜지스터, 다이오드, 항복 다이오드, 그리고 광 감지 소자로 변환 가능하여 폭넓은 사용이 가능하다. 다양한 기능을 수행하는 복수의 소자를 하나로 통합할 수 있어, 집적회로(IC)칩의 소형화에도 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구를 주도한 송준기, 이수연 학생은 “기존 실리콘 금속산화막 반도체(CMOS) 공정 호환성이 높은 공정 과정을 통해 차세대 2차원 반도체의 다양한 기능을 구현했다”며 “IC칩에서 이황화 몰리브덴의 전자소자로의 활용성 및 실용성을 넓히는 계기가 될 것이다”라고 덧붙였다.

이가영 교수는 "이번에 개발된 소자는 기존에 보고된 것보다 굉장히 단순한 방법으로 만들었다는 점에서 기존 연구와 차별화된다"고 소개했다. 아울러 "그래핀과 달리 전류의 꺼짐과 켜짐이 모두 가능해, 주어진 전압 특성에 따라 다양한 기능을 수행하면서도 각 기능의 성능이 우수하다”고 설명했다. 이 교수는 “하나의 소자에서 다기능을 할 수 있어서 맞춤형 반도체의 제작 및 공정 전환을 용이하게 하고 단일칩 시스템의 소형화에도 기여할 것으로 기대한다”라고 말했다.

KAIST 전기및전자공학부 송준기 석박사통합과정 학생과 이수연 석사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 `ACS Nano'에 2024년 1월 26일 온라인판에 출판됐다. (논문명 : Drain-induced multifunctional ambipolar electronics based on junctionless MoS2)

한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초연구사업 및 BK21, KAIST의 C2(Creative & Challenging) 프로젝트, 그리고 LX 세미콘-KAIST 미래기술센터의 지원을 받아 수행됐다.

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr