이가영(왼쪽부터) 교수와 송준기 석박사통합과정생, 이수연 석사과정생 [KAIST 제공]

국내 연구진이 간단하고 쉬운 공정으로 다양한 기능을 구현할 수 있는 차세대 반도체 전자 소자를 개발했다.

KAIST는 이가영 전기및전자공학부 교수 연구팀이 양극성 반도체 특성을 가진 2차원 나노 반도체 기반의 다기능 전자 소자를 개발했다고 2일 밝혔다.

다기능 전자 소자는 기존 트랜지스터와 달리 전압에 따라 기능을 변환할 수 있는 소자다. 연구팀의 소자는 양극성 트랜지스터, N형 트랜지스터, 다이오드, 항복 다이오드, 광 감지 소자로 변환 가능해 폭넓은 사용이 가능하다.

기존 실리콘 반도체보다 성능이 뛰어난 이황화 몰리브덴(MoS₂)은 층상 구조의 2차원 반도체 나노 소재다. 전자가 흐르는 N형 반도체 특성을 가지면서 대기에서 안정적이다.

기존 실리콘 반도체가 미세화될수록 성능 저하에 취약한 반면 이황화 몰리브덴은 관련 문제가 적다. 차세대 반도체로서 학계 뿐만 아니라 삼성전자·TSMC·인텔 같은 산업계에서도 주목하고 있다.

하지만 이황화 몰리브덴에서는 음(N) 전하를 띄는 전자 뿐만 아니라 양(P) 전하를 띄는 정공 유도가 어려웠다. 이러한 문제점은 현재까지도 이황화 몰리브덴을 상용화하기 위해 해결해야 할 중요한 과제로 남아 있다.

연구팀은 채널 하부에 전극을 배치하고 금속·반도체 접합 특성을 개선해 전자와 정공 모두 선택적으로 흐를 수 있는 양극성 특성을 구현하는 데 성공했다. 이로써 전류의 켜짐·꺼짐 비를 대폭 높일 뿐만 아니라, 양극성 트랜지스터, N형 트랜지스터, 다이오드, 항복 다이오드 그리고 광감지 소자로 다기능 변조 동작이 가능한 이황화 몰리브덴 전자 소자를 개발했다.

이번 연구를 주도한 KAIST 전기및전자공학부의 송준기 석박사통합과정생과 이수연 석사과정생은 “기존 실리콘 금속산화막 반도체(CMOS) 공정 호환성이 높은 공정 과정을 통해 차세대 2차원 반도체의 다양한 기능을 구현했다”고 했다. 이어 “IC칩에서 이황화 몰리브덴의 전자소자로의 활용성 및 실용성을 넓히는 계기가 될 것이다”고 덧붙였다.

이가영 교수는 “이번에 개발한 신개념 소자는 하나의 소자에서 다기능을 할 수 있어서 현재 수요가 급증하고 있는 맞춤형 반도체의 제작 및 공정 전환을 용이하게 할 것”이라며 “목적에 따라 회로 자체의 기능성을 변환할 수 있어 단일 칩 시스템의 소형화에도 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

송준기 석박사통합과정생과 이수연 석사과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 지난달 26일 나노과학 분야 저명 국제 학술지 ‘ACS 나노(Nano)’에 온라인판에 게재됐다. 박세정 기자