“원자만 바꿔 반도체 성질 제어”… 초미세·초저전력 돌파구

IBS, 모듈형 트랜지스터 기술 개발
전력 3분의 1로…사이언스 게재

왼쪽부터 조현제 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단 학생연구원, 조문호 IBS 연구단장, 민석영 IBS 박사후연구원. IBS 제공

반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 바꿔 하나의 얇은 막에 모듈형 트랜지스터를 구현하는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 서로 다른 소재를 정교하게 쌓아 올려야 했던 기존 공정을 단순화해 차세대 초미세·초저전력 반도체 개발의 돌파구를 마련했다는 평가다.

과학기술정보통신부는 16일 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단의 조문호 단장(포스텍 석학 교수) 연구팀이 2차원 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 바꿔 하나의 박막에 반도체·절연체·준금속 영역을 구현하는 ‘모듈형 트랜지스터 제작 기술’을 개발했다고 밝혔다. 트랜지스터는 반도체 전류를 켜고 끄는 스위치다. 해당 연구 성과는 세계 최고 권위 학술지 ‘사이언스’에 게재됐다.

2차원 반도체는 원자층 두께에서도 전류를 제어할 수 있어 기존 실리콘 반도체 미세화 한계를 극복할 차세대 소재로 주목받는다. 다만 표면에 다른 물질이 잘 달라붙지 않아 트랜지스터 구성에 필요한 절연막과 금속 전극 등을 쌓기 어렵다는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 서로 다른 물질을 쌓는 대신 2차원 반도체 ‘이셀레늄화텅스텐’의 원자를 선택적으로 치환했다. 중심의 텅스텐 원자는 그대로 두고 주변 셀레늄 원자만 산소, 황, 텔루륨 등 다른 원자로 바꿔 트랜지스터 구성에 필요한 전기적 성질을 원하는 위치에 구현했다.

그 결과 전하가 전극에서 반도체로 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 기존 방식의 약 3분의 1 수준으로 낮아졌다. 연구팀은 “이 기술을 다양한 2차원 반도체 소재에 적용하고 웨이퍼 크기의 대면적 공정으로 발전시킬 것”이라며 “3차원 적층형 집적회로 등 차세대 초미세·저전력 반도체 기술로의 응용 가능성도 탐색할 계획”이라고 밝혔다.

양윤선 기자 sun@kmib.co.kr

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