실리콘 반도체 소자 대신할 금속 찾았다

심우영 연세대 교수 연구진

국내 연구진이 기존 반도체 기술이 마주한 성능 한계의 돌파구를 찾아냈다. 집적도나 발열 같은 한계를 마주한 실리콘 대신 고성능을 낼 수 있는 금속을 반도체 소자로 활용하는 방식이다.

심우영 연세대 신소재공학과 교수가 이끄는 연구진은 실리콘 반도체 소자를 대체할 금속 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

현재 사용되는 반도체 소자는 실리콘을 기반으로 만들어진다. 실리콘은 전기전도도가 전도체와 부도체의 중간 정도여서 반도체라고 부른다. 전도체는 전기를 잘 통하는 성질을, 부도체는 전기가 안 통하는 성질을 말한다.

실리콘 기반 반도체는 현재 성능이 한계에 달해 고성능 반도체를 개발하려면 새로운 소재를 개발해야 한다. 최근에는 전도체인 금속을 이용한 ‘금속 트랜지스터’를 개발하려는 시도가 활발히 이뤄지고 있다.

연구진은 전기도금법을 활용해 한 방향으로 정렬된 결정을 가진 니켈 나노시트를 만들었다. 니켈 나노시트는 기존 금속보다 전기적 비등방성이 1000배 이상 높은 것으로 나타났다. 비등방성은 방향에 따라 물체의 성질이 다른 것을 말한다.

연구진은 니켈 나노시트를 활용해 반도체 트랜지스터를 만들고, 전류를 제어하는 성능을 확인했다. 그 결과, 시트의 방향을 조절해 마치 반도체처럼 전류 제어가 가능했으며, 제어 효율은 기존 실리콘 기반 반도체에 비해 1만배 이상 우수한 것으로 나타났다.

연구진은 니켈 나노시트를 이용해 반도체 스위치 소자를 만들고 기존 반도체와 다른 방식으로 논리 연산이 가능하다는 점도 검증했다. 금속 소재가 기존 실리콘 기반 반도체를 대체할 수 있다는 것을 보여주는 결과다.

이번 연구에서 활용한 전기도금법도 여러 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 전기도금법은 기존 반도체 공정인 증착과 달리 2차원(D) 공간에서 금속 입자를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.

심 교수는 “금속 소재를 활용한 전류 스위칭 기술의 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 크다”며 “금속 기반의 새로운 소재 기술 개발로 이어질 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 신세시스’에 지난해 10월 31일 소개됐다.

참고 자료

Nature Synthesis(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s44160-024-00669-4

조선비즈