0.7nm 두께 단층 2차원 반도체 언제 나올까

서로 다른 두 종류의 초박막 반도체에 전기를 원활하게 공급할 수 있는 '범용 반데르발스 터널링 주입기'가 개발됐다. 차세대 저전력·고집적 소자로 주목받고 있는 0.7nm 두께의 단층 2차원 반도체 개발에 한발 더 다가설 것으로 예측됐다. KAIST는 서준기 생명화학공학과 교수 연구팀(제1저자 조한빈 박사과정생)이 연세대학교, 한국과학기술연구원(KIST), 울산과학기술원(UNIST)을 비롯한 삼성전자 및 중국 베이징 계산과학연구센터와 국제 공동연구로 '범용 반데르발스 터널링 주입기'를 개발했다고 16일 밝혔다. 특징은 이셀레늄화주석(SnSe₂)을 재료로 사용해 서로 다른 두 종류의 초박막 반도체에 전기를 원활하게 공급할 수 있다. 궁극적인 목표는 단층 2차원 반도체 공정 완성이다. 단층 2차원 반도체는 게이트가 채널 전체를 효과적으로 제어할 수 있어 차세대 저전력·고집적 소자의 후보로 주목받고 있다. 그러나 채널 자체의 우수한 특성에도 불구하고, 외부 전극에서 채널로 전하를 주입하는 접촉부에 문제가 있다. 금속을 직접 증착하면 단층 결정이 손상되거나 불균일한 계면이 형성된다. 금속과 반도체 사이의 에너지 장벽도 전류를 제한한다. 특히 p형과 n형 반도체는 요구되는 에너지 정렬이 달라 일반적으로 서로 다른 금속과 접촉 공정을 사용해야 한다. 연구팀이 이 문제를 이셀레늄화주석으로 해결했다. 이셀레늄화주석은 주석(Sn)과 셀레늄(Se)으로 이루어진 얇은 층상 소재다. 다른 반도체와 강한 화학결합을 하는 대신 원자 사이의 약한 인력인 '반데르발스 힘'으로 포개지듯 맞닿기 때문에, 원자 수준으로 얇은 반도체의 손상을 줄이면서 매끄러운 접촉면을 만들 수 있다. 이셀레늄화주석은 연결되는 반도체에 따라 전자나 정공이 지나가기 좋은 길을 다르게 만들어준다. p형 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)에서는 높은 에너지 장벽을 넘어가지 않고 마치 터널을 통과하듯 지나가는 '밴드 간 터널링'이 일어난다. n형 이황화몰리브덴(MoS₂)에서는 전기장을 이용해 전자가 지나가야 할 장벽을 얇게 만들어 터널링을 유도한다. 실험결과 이셀레늄화주석을 적용한 p형 WSe₂ 트랜지스터는 기존 니켈 전극을 사용한 소자보다 최대 구동 전류가 1,000배 이상 증가했다. n형 MoS₂ 트랜지스터도 전류를 켜고 끄는 성능이 개선돼 '온·오프 전류비'가 10억 이상을 기록했다. 스위치를 켰을 때는 전기가 잘 흐르고, 껐을 때는 거의 흐르지 않도록 뚜렷하게 제어할 수 있다는 뜻이다. 연구팀은 n형과 p형 트랜지스터를 결합한 실제 반도체 회로의 기본 구조인 'CMOS 인버터'도 제작, 반복적인 전기 신호에도 안정적으로 작동하는 것을 확인했다. 서준기 교수는 "향후 대면적 제조와 집적 공정 기술이 더해지면 원자 수준으로 얇은 2차원 반도체를 아파트처럼 여러 층으로 쌓아 같은 공간에 더 많은 트랜지스터를 넣는 3차원 반도체로 발전시킬 수 있을 것"으로 기대했다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 온라인으로 게재됐다.