KAIST, 차세대 반도체 ‘전기 병목현상’ 해결

이번 연구를 수행한 KAIST 연구진. 강기범(왼쪽부터) 교수, 견민승 박사, 김연규 박사과정, 홍승범 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 반도체 개발의 가장 큰 난제로 꼽혀온 ‘전기 병목현상’을 해결할 수 있는 새로운 구조를 개발했다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범·강기범 교수 연구팀이 성균관대학교 조성범 교수 연구팀과 함께 차세대 반도체 소자로 주목받는 2차원 소재(원자 한두 층 두께의 초박막 소재)에서 전기가 막힘없이 흐르는 새로운 구조를 구현, 이를 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 수준에서 직접 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다.

반도체는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 접촉 저항) 때문에 성능이 떨어지고 전력 손실이 발생한다. 특히 반도체가 점점 작아질수록 접촉 저항의 영향은 더욱 커져 차세대 반도체 개발의 가장 큰 기술적 난제로 꼽혀왔다.

연구팀은 기존처럼 금속 전극을 반도체 위에 붙이는 대신, 하나의 2차원 소재 안에서 준금속(금속처럼 전기가 잘 흐르는 성질)과 반도체 영역을 연속적으로 구현했다. 같은 소재 안에서 두 영역이 자연스럽게 이어지도록 만들어 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있음을 세계 최초로 입증했다.

원자층 두께의 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드 하나의 박막 안에서 준금속 영역과 반도체 영역을 연속적으로 구현했다. 같은 소재 안에서 두 영역이 자연스럽게 이어지는 단일체를 구현함으로써 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있는 새로운 구조를 제시했다.

연구 모식도(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]

연구팀은 원자힘현미경을 활용해 박막 내부에서 전하가 이동하는 모습을 나노미터 수준에서 직접 시각화했다.

그 결과 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 이동할 때 흐름이 막히거나 방향이 꺾이는‘전기 병목현상’ 없이 자연스럽게 이어지는 것을 확인했다. 이는 단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 첫 사례다.

특히 연구팀은 반도체 영역에 실제 트랜지스터(전류의 흐름을 제어하는 반도체의 기본 소자)처럼 전기장을 가해 동작을 검증했다. 그 결과 금속-반도체가 결합된 구조에서 전류의 흐름을 안정적으로 제어할 수 있음을 확인해 차세대 전자소자로서의 활용 가능성도 입증했다.

이번 연구결과는 차세대 2차원 전자 소자, 초고속 컴퓨터 프로세서, 저전력 반도체 칩, 그리고 인공지능(AI)과 같은 신흥 응용 분야를 위한 소형화 하드웨어 등에 폭넓게 활용될 수 있다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 반금속과 반도체 위상 경계면에서 전하가 뚜렷한 저항 장벽 없이 연속적으로 흐른다는 점을 확인했으며, 생성된 반도체 영역이 전기장에 의해 성공적으로 변조되어 트랜지스터로서의 기능을 증명한 것“이라고 말했다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘매터(Matter)’ 7월호에 게재됐다.