세계 최초 초박막 반도체 개발, '미래 신산업 핵심기술 선점'

3나노미터 두께 2D 소재를 화학도핑을 통해 제작된 초미세 인터페이스 p-n 접합 반도체의 모식도 [미래부 제공]

아주경제 한준호 기자 = 국내연구팀이 “초박막 소재(MoS2)를 기반으로 한 두께 3나노미터급(1나노미터: 10억분의 1미터) 반도체”를 세계 최초로 개발했다.

이번에 개발된 초박막 반도체는 유비쿼터스, 모바일, 플렉시블, 웨어러블 환경 구현을 위한 반도체 소자의 초소형화 및 초절전형이 가능한 원천기술로 현재 해당 기술은 국내외 특허 출원 중이다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업의 하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(김광호 단장)의 일환으로 성균관대학교 유원종 교수가 수행하였으며. 본 연구결과는 권위 있는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(nature communcations) 온라인으로 24일(화) 게재됐다. 

연구팀은 기존 3차원(3D) 구조의 규소로 만들어지는 반도체 소자와 달리 2차원(2D) 구조를 갖는 소재인 황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용하여 수직형 p-n 접합소자를 제작하는데 성공했다.

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황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용하면, 반도체 특성을 지니면서도 초박막구조를 형성할 수 있다. 또한, 반도체가 매우 얇아지는 만큼 동작에 필요한 전압도 급격히 낮아져서 전력소모가 매우 작은 소자 제작이 가능하다.

특히, 기존의 3D 규소 반도체는 14나노미터 수준 이하로는 제작이 불가능했으나, 이번에 개발된 2D 구조의 반도체 소자는 3나노미터급으로 매우 얇으면서 에너지 소모도 4배 이상 적어 미래 초소형·초절전형 반도체 소자로 사용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 MoS2 신물질이 차세대반도체로 사용될 수 있는 가능성을 세계 최초로 확인한 것이다. 또한 반도체 소자 두께와 에너지 소모를 4배 이상 줄이는 데도 성공했다. 이로 인해 현재 규소기반 반도체 소자의 중요한 걸림돌인 과다전력소모 문제를 극복할 수 있으며, 규소기반 반도체를 대체해 초고효율 광소자 개발에도 중요하게 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

유원종 교수는 “p-n 접합소자는 많은 반도체 전자회로의 기본 소자로 쓰이므로, 이러한 기본 소자를 이루는 물질이 2D 소재로 대체될 경우 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구를 가속화할 것"이라고 밝혔다.
 

  (a-d) 2D 소재 기반 p-n 접합소자의 제작과정 및 (e-f) 집적된 2D 소재의 평면도 및 측면도  [미래부 제공 ]