IBS, 반도체와 금속 공존하는 신물질 합성... 차세대 전자소자 개발 가능성 열어

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국내 연구진이 반도체와 금속 성질을 동시에 지니는 신물질 합성에 성공했다. 소자 두께를 원자 단위로 아주 얇게 만들 수 있는 차세대 초박형 반도체 개발에 기여할 전망이다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 조문호 원자제어 저차원전자계 연구단 부연구단장팀이 반도체성과 금속성을 선택적으로 제어해 원자 수준의 2차원 반도체-금속 접합구조를 합성했다고 19일 밝혔다.

이번 연구를 활용한 2차원 전자소자 구현의 모식도
<이번 연구를 활용한 2차원 전자소자 구현의 모식도>

전자제품 소형화 추세로 그래핀과 같은 2차원 소재가 3차원 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 그래핀을 사용하면 소자 두께를 원자단위로 아주 얇게 만들 수 있다. 다만 2차원 전위 장벽이 발생해 접촉 저항이 높았다. 이는 전자의 자유로운 이동을 방해해 반도체 성능 저하시킨다.

연구팀은 2차원 반도체 물질과 전극을 수평으로 연결하는 방법으로 2차원 전위 장벽, 접촉 저항 문제를 해결했다. 2차원이던 접촉면이 1차원이 되면 전위 장벽도 해소된다.

같은 물질임에도 증착 온도를 달리해 금속과 반도체로 성질이 나뉜 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2)
<같은 물질임에도 증착 온도를 달리해 금속과 반도체로 성질이 나뉜 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2)>

연구팀은 여기에 하나의 2차원 반도체 물질 일부에는 금속 성질을, 또 다른 일부에는 반도체의 성질을 부여하는 기술을 더했다. 하나의 물질로 전극·반도체 역할을 동시에 하는 방식이다. 전극과 반도체과 화학적으로 결합돼 둘 사이 저항이 낮아진다.

그래핀과 유사한 2차원 반도체 물질인 이텔루륨화 몰리브덴(MoTe₂)을 이용했다. MoTe₂는 전이금속-칼코겐 화합물의 일종이다. 증착 온도에 따라 저온에서는 반도체성을, 고온에서는 금속성을 띠는 특성을 가진다.

조문호 원자제어저차원전자계연구단 부연구단장
<조문호 원자제어저차원전자계연구단 부연구단장>

연구팀은 이들 방법을 이용해 만든 트랜지스터 소자가 기존 2차원 소재 기반 소자보다 10분의 1 수준의 접촉저항 값을 보였다고 설명했다. 이셀레늄화텅스텐(WSe₂), 이텔루륨화텅스텐(WTe₂)과 같은 다른 전이금속-칼코겐 화합물로도 반도체성·금속성을 선택적으로 발현시킬 수 있다.

현재 합성할 수 있는 물질 면적은 '㎝' 크기 수준이다. 추가 연구로 새로운 차세대 반도체 개발을 위한 원천 기술로 활용할 수 있다.

이번 연구의 공동 제1저자. 왼쪽부터 허호석 연구위원, 성지호 연구위원, 시새롬 연구원
<이번 연구의 공동 제1저자. 왼쪽부터 허호석 연구위원, 성지호 연구위원, 시새롬 연구원>

조문호 부연구단장은 “기존 접촉 저항 문제를 해결한 원자층 수준의 2차원 소재물질을 개발했다”면서 “새로운 반도체 기술에 직접 적용할 수 있다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com