이차원 소재에 기반 한 차세대 반도체 개발에 있어 이차원 소재와 금속 전극 간의 높은 저항은 개발에 항상 걸림돌이 되어왔다. 이러한 문제점을 극복해 기존 이차원 소재기반 반도체보다 100배 이상 성능이 좋은 차세대 반도체 원천 기술을 전북대학교 김태완 교수(공대 전기공학과) 연구팀이 개발해 화제가 되고 있다.

전북대는 김 교수팀은 차세대 반도체의 핵심소재인 이차원 소재를 웨이퍼 크기의 대면적·고균일로 제작하고 이를 이용해 고성능의 차세대 반도체 소자를 개발했다고 12일 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 전북대 김태완 교수를 비롯해 영남대, 한국표준과학연구원과 공동연구로 진행됐다. 이 연구 결과는 지난달 나노과학 및 기술 분야 세계적 학술지인 ‘ACS NANO’(IF=13.709)에 게재됐다.

이번에 개발된 반도체 소자는 이차원 구조의 전이 금속인 ‘전이금속 디칼코드나이드계(Tansition metal dichalcogenide) 소재’를 이용한 것이다. 연구팀은 유기금속 화학 기상 증착장비(Metal organic chemical vapor deposition)를 이용해 반도체 집적회로의 기판인 웨이퍼에 대면적·고균일로 증착하고, 상 변환(Phase transition)이 되는 기술 개발을 통해 차세대 반도체를 제작한 것이다.

이번에 도입된 새로운 구조인 상이 다른 두 물질의 접합구조인 Polymorphic 구조(반도체/반금속)는 이차원 반도체와 금속 전극간의 완벽한 오믹접촉(Ohmic contact)를 형성시키고 그 저항을 최소화하여 전계효과 정공 이동도를 약 1139 cm2/V·s를 달성했다고 연구팀은 밝혔다. 이는 기존에 보고됐던 이차원 소재 반도체 성능보다 100배 빠른 전계효과 캐리어 이동도다.  

이 연구 성과를 통해 차세대 반도체 및 차세대 디스플레이 분야에서 낮은 전력으로도 고성능을 낼 수 있는 구동 소자의 상용화 시기를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

김태완 교수는 “이차원 소재 기반 차세대 반도체에 개발에 있어 다른 이차원 반도체와 금속 사이의 높은 저항은 항상 걸림돌이 돼 왔다”며 “쉽게 제작이 가능하면서도 저항성이 매우 낮아 성능이 우수한 차세대 반도체를 개발하는 데 좋은 원천기술이 될 것”이라고 말했다.

/장은성 기자