'온도 낮을수록 성능 향상'…KAIST, 고성능 반도체 소자 개발

이가영 교수팀, 고이동도·초고속 2차원 반도체 소자 획보
실리콘 한계 극복, 6G 주파수 대역에서 동작 가능
극저온 환경에서 활용 기대, 국제 학술지 게재

[대전=뉴시스] 기존 소자와 비교해 KAIST서 개발한 소자의 우수한 전자 이동도 및 전자 포화 속도 특성.(사진=KAIST 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST 연구진이 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 개선되는 고성능 2차원 반도체 소자를 개발했다.

KAIST는 전기및전자공학부 이가영 교수팀이 실리콘의 전자 이동도와 포화 속도가 2배 이상 향상된 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe) 기반 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.

포화 속도(Saturation velocity)는 반도체 물질 내에서 전자나 정공이 움직일 수 있는 최대 속도로 반도체의 전기적 특성을 평가할 수 있는 핵심 지표 중 하나다.

2차원 인듐 셀레나이드는 기존 실리콘 반도체 및 2차원 반도체보다 높은 전자 이동도와 높은 전류를 보여 차세대 반도체 물질로 주목받고 있으나 대기 중에서 산화에 취약하고 안정성이 떨어져 고성능 소자 개발에 어려움이 있어왔다.

이번에 이가영 교수팀은 하부 절연막으로 고품질 2차원 육각형질화붕소(hBN) 물질을, 상부 보호막으로는 얇은 인듐 금속을 각 활용해 인듐 셀레나이드의 안정성과 성능을 개선했다.

또 핵심 채널층인 인듐 셀레나이드를 오염시키지 않고 2차원 이종접합(서로 다른 결정 반도체의 2개 층 또는 영역 사이의 접점) 구조로 제작해 전자 이동도와 전자 포화 속도를 대폭 향상시켰다.

연구팀은 인듐 셀레나이드의 전자 포화 속도를 체계적으로 분석해 보고한 것은 이번이 처음이라고 강조했다.

KAIST 전기및전자공학부 석용욱 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 'ACS 나노(Nano)'에 지난 19일 출판됐으며 저널 표지 논문으로 채택됐다. (논문명:High-Field Electron Transport and High Saturation Velocity in Multilayer Indium Selenide Transistors)

이번 연구를 주도한 석용욱 박사과정은 "고성능 소자 개발을 통해 2차원 반도체 인듐 셀레나이드의 높은 전자 이동도와 포화 속도를 확인할 수 있었다"며 "실제 극저온 및 고주파수 구동이 필요한 응용 기기에의 적용 연구가 필요하다"고 말했다.

이가영 교수는 "이번에 개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능해 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역에서의 동작이 가능할 것으로 기대된다"며 "저온으로 갈수록 소자의 성능이 대폭 개선돼 양자 컴퓨터의 양자 제어 IC(Integrated circuit)와 같이 극저온 고주파수 구동 환경에더 적합하다"고 밝혔다.

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