카이스트, 차세대 2차원 반도체 다기능 전자 소자 개발

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

한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 양극성 반도체 특성을 가진 2차원 나노 반도체 기반의 다기능 전자 소자를 개발했다고 2일 밝혔다.

다기능 전자 소자는 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.

기존 실리콘 반도체보다 성능이 뛰어난 이황화 몰리브덴(MoS2)은 층상 구조의 2차원 반도체 나노 소재로, 전자가 흐르는 N형 반도체 특성을 가지면서 대기에서 안정적이다.

그러나 CMOS 구현을 위해서는 음(N) 전하를 띄는 전자뿐만 아니라 양(P) 전하를 띄는 정공 유도도 필요한데, 이황화 몰리브덴에서는 정공 유도가 어려웠다.

이에 따라 이황화 몰리브덴에 추가적인 공정을 도입하거나 다른 P형 물질을 사용하는 방법이 시도됐지만 공정 난이도가 높은 단점이 있다.

이는 현재까지도 이황화 몰리브덴을 상용화하기 위해 해결해야 할 중요한 과제로 남아 있다.

이에 연구팀은 채널 하부에 전극을 배치하고 금속/반도체 접합 특성을 개선해 전자와 정공 모두 선택적으로 흐를 수 있는 양극성 특성을 구현하는 데 성공했다.

이로써 전류의 켜짐/꺼짐 비를 대폭 높일 뿐만 아니라, 양극성 트랜지스터, N형 트랜지스터, 다이오드, 항복 다이오드 그리고 광감지 소자로 다기능 변조 동작이 가능한 이황화 몰리브덴 전자 소자를 개발했다.

또 이를 기반으로 집적도가 개선된 논리 연산이 가능함도 보였다.

KAIST 전기 및 전자공학부 송준기 석박사통합과정 학생과 이수연 석사과정 학생(제1 저자)은 "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 것"이라고 말했다.

이가영 교수는 "개발한 전자 소자는 주어진 전압 특성에 따라 다양한 기능을 수행하면서도 각 기능의 성능이 우수하다"며 "하나의 소자에서 다기능을 할 수 있어서 현재 수요가 급증하고 있는 맞춤형 반도체의 제작 및 공정 전환을 용이하게 할 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 'ACS Nano' 온라인에 지난달 26일 게재됐다.

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대전CBS 지영한 기자 younghan@cbs.co.kr

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