IBS, 선택적 원자 치환으로 ‘모듈형 트랜지스터 제작기술’ 개발
하나의 박막에 반도체, 절연막, 금속전극 구현… 차세대 반도체 공정 활용
조현제(왼쪽부터) 학생연구원, 조문호 단장, 민석영 박사후연구원. IBS 제공.
차세대 반도체의 핵심 소재인 2차원 반도체의 원자를 선택적으로 바꿔 초미세·초저전력 반도체를 개발할 수 있는 기술이 개발됐다.
과학기술정보통신부는 조문호 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단장(포스텍 석학 교수) 연구팀이 2차원 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 바꿔 하나의 박막에 반도체, 절연체 등을 원하는 층과 위치에 구현한 '모듈형 트랜지스터 제작 기술'을 개발했다고 16일 밝혔다.
이 연구결과는 이날 국제 학술지 '사이언스'에 게재됐다.
2차원 반도체는 기존 실리콘 반도체의 미세화 한계를 극복할 차세대 소재로 주목받고 있다.
하지만 2차원 반도체는 표면에서 다른 물질과 화학적으로 잘 결합하지 않아 절연막을 균일하게 입히기 어렵고, 금속 전극을 직접 붙이면 접촉면이 손상되거나 전기 저항이 커져 성능이 떨어질 수 있다.
서로 다른 얇은 물질을 한 장씩 옮겨 쌓는 방법도 있지만 공정이 복잡하고, 넓은 면적에 균일하게 적용하거나 대량 생산에도 한계가 있다.
연구팀은 서로 다른 물질을 쌓는 대신 2차원 반도체를 이루는 원자를 선택적으로 바꿔 필요한 물질을 원하는 위치에 직접 만드는 방식을 고안했다.
원자층 단위의 선택적 치환을 이용한 모듈형 2차원 트랜지스터 제작 개념도. IBS 제공.
금속인 텅스텐 원자층을 셀레늄 원자층이 위아래로 감싼 구조인 p형 반도체 '이셀레늄화텅스텐(WSe₂)'을 활용했다.
연구팀은 다층 이셀레늄화텅스텐 박막의 원하는 층과 위치에서 셀레늄 원자를 산소(O), 황(S), 텔루륨(Te)으로 선택적으로 치환했다. 이를 통해 각각의 절연체인 산화텅스텐, n형 반도체인 이황화텅스텐, 전기가 잘 통하는 준금속 이텔루륨화텅스텐으로 변환했다.
이어 반응 온도와 반응 기체의 압력을 조절해 화학반응이 다음 층으로 넘어가는 것을 제어, 0.7나노미터 두께의 원자층 단위로 물질을 변환했다. 또 반도체 공정용 마스크(가림막)를 활용해 평면상 원하는 위치만 선택적으로 바꾸는 데에도 성공했다.
연구팀은 이 기술로 하나의 박막에 반도체(이셀레늄화텅스텐)와 절연막(산화텅스텐), 준금속 전극 접합층(이텔루륨화텅스텐)을 갖춘 모듈형 트랜지스터를 구현했다.
모듈형 트랜지스터는 금속 전극에서 반도체로 전하가 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 35.5밀리전자볼트까지 낮아졌다. 기존 금속 전극을 붙이는 방식과 비교해 약 3분의 1 수준으로 전류가 더 쉽게 흐를 수 있음을 의미한다고 연구팀은 설명했다. 전류를 10배로 바꾸는 데 필요한 게이트 전압의 변화량은 61.3밀리볼트로, 상온에서 기존 방식의 트랜지스터가 도달할 수 있는 이론적 최솟값인 60밀리볼트에 달했다. 적은 전압 변화로 전류를 안정적으로 제어할 수 있음을 확인했다.
조 단장은 "개별 소재나 접합면 성능 개선을 넘어 트랜지스터의 주요 구성 요소를 하나의 박막에 구현했다는 데 의미가 있다"며 "다양한 2차원 반도체 소재에 적용하고, 웨이퍼 크기의 대면적 공정으로 발전시켜 초미세·저전력 반도체와 차세대 적층형 반도체 소자 기술로 확장해 나가겠다"고 말했다.
이준기 기자 bongchu@dt.co.kr
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