[뉴스폭탄=이호현 기자] 과학기술정보통신부는 16일 보도자료에서 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장 연구팀이 2차원 반도체를 이루는 원자를 선택적으로 바꿔 하나의 박막에 반도체·절연체·준금속 영역을 원하는 층과 위치에 구현하는 '모듈형 트랜지스터 제작 기술'을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 사이언스(Science)에 16일 오전 3시(한국표준시) 게재됐다.
원자층 두께에서도 전류를 제어할 수 있는 2차원 반도체는 실리콘 반도체의 미세화 한계를 넘을 차세대 소재로 주목받는다. 그러나 2차원 반도체는 표면이 다른 물질과 화학적으로 잘 결합하지 않아 절연막을 균일하게 입히기 어렵고, 금속 전극을 직접 붙이면 접촉면이 손상되거나 전기 저항이 커질 수 있다. 서로 다른 얇은 물질을 한 장씩 옮겨 쌓는 방법은 공정이 복잡해 넓은 면적이나 대량 생산에 적용하기 어렵다.
▲ 기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자 물질 연구단 핵심 연구진 ⓒ 과학기술정보통신부·IBS (공공누리 제1유형)
연구팀은 물질을 쌓는 대신 2차원 반도체를 이루는 원자를 바꿔 필요한 물질을 원하는 위치에 직접 만드는 방식을 택했다. p형 반도체인 이셀레늄화텅스텐의 셀레늄 원자를 산소, 황, 텔루륨으로 선택적으로 치환해 각각 절연체인 산화텅스텐, n형 반도체인 이황화텅스텐, 준금속인 이텔루륨화텅스텐으로 바꿨다. 반응 온도와 반응 기체 압력을 조절해 약 0.7나노미터 두께의 원자층 단위로 변환했으며, 반도체 공정용 마스크로 평면상의 원하는 위치만 바꾸는 데도 성공했다.
준금속 접합층을 적용하자 금속 전극에서 반도체로 전하가 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 35.5밀리전자볼트로 낮아졌다. 금속 전극을 직접 붙인 경우의 약 3분의 1 수준이다. 전류를 10배로 바꾸는 데 필요한 게이트 전압 변화량은 61.3밀리볼트로 상온 이론적 최솟값인 약 60밀리볼트에 근접했고, 켜짐·꺼짐 전류 비율은 1,000만 배 이상으로 나타났다.
산화텅스텐 절연막의 등가 산화막 두께는 1나노미터 미만으로, 국제 반도체 로드맵이 제시한 초미세 소자의 핵심 성능 목표 수준을 달성했다. 연구팀은 p형과 n형 트랜지스터를 수직으로 쌓아 상보형 인버터도 만들었으며, 1볼트의 낮은 전압에서도 신호가 반전돼 적층형 집적회로로 확장할 가능성을 보였다고 밝혔다.
연구진은 이 기술을 다양한 2차원 반도체 소재에 적용하고 웨이퍼 크기의 대면적 공정으로 발전시키는 한편, 3차원 적층형 집적회로 등으로의 응용 가능성을 탐색할 계획이다. 이번 연구는 과기정통부의 IBS 기초과학연구단 지원 사업으로 수행됐다.
조문호 IBS 단장은 "이번 연구는 원자 단위 물질 조작이라는 기초 물질과학의 기법을 현대 반도체 기술에 접목해 미래 반도체 기술의 질적 도약을 위한 돌파구를 마련했다는 데 의미가 있다"고 밝혔다. 과기정통부 연구개발정책실장은 원천기술이 산업 경쟁력으로 이어지도록 기초·원천 연구 지원을 아끼지 않겠다고 말했다.
