전극 하나 바꿨더니 구동전류 1000배…저전력 AI반도체 길 열었다

KAIST, 초박막 반도체 전극 난제 해결

하나의 소재로 n형·p형 모두 구동

3차원 적층·저전력 반도체 활용 기대

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 연세대와 한국과학기술연구원(KIST), 울산과학기술원(UNIST), 삼성전자 등과 공동으로 ‘범용 반데르발스 터널링 주입기’를 개발했다고 16일 밝혔다. ⓒ카이스트

원자 몇 개 두께의 초박막 반도체에 전기를 원활하게 공급하는 기술이 개발됐다. 하나의 소재로 n형과 p형을 모두 구동할 수 있는 방식이다.

카이스트(KAIST)는 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 연세대와 한국과학기술연구원(KIST), 울산과학기술원(UNIST), 삼성전자 등과 공동으로 ‘범용 반데르발스 터널링 주입기’를 개발했다고 16일 밝혔다.

2차원 반도체는 원자 몇 개 수준으로 얇아 여러 층으로 쌓기 쉽지만 전극을 붙이는 과정에서 소자가 손상되거나 전하 이동을 막는 장벽이 생기는 문제가 있었다.

연구팀은 이셀레늄화주석(SnSe2) 하나로 이를 해결했다. SnSe2는 약한 반데르발스 힘으로 다른 반도체와 맞닿아 손상을 줄이면서 전하 이동 통로를 만든다.

이를 통해 p형 이셀레늄화텅스텐(WSe2)과 n형 이황화몰리브덴(MoS2)에 모두 전류를 공급할 수 있는 구조를 구현했다.

SnSe2를 적용한 p형 WSe2 트랜지스터의 최대 구동전류는 기존 니켈 전극 소자보다 1000배 이상 늘었다. n형 MoS2 트랜지스터의 온·오프 전류비는 10억 이상으로 나타났다.

연구팀은 n형과 p형을 결합한 CMOS 인버터를 제작해 반복적인 전기 신호에서도 안정적으로 작동하는 점을 확인했다.

향후 대면적 제조와 집적 공정 기술이 더해지면 2차원 반도체를 여러 층으로 쌓는 3차원 반도체와 저전력 AI 반도체 개발에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난달 12일 온라인 게재됐다.

서준기 KAIST 생명화학공학과 교수는 “이번 연구는 단층 2차원 반도체에서 전하가 드나드는 가장 까다로운 관문을 한 종류의 소재로 해결할 수 있음을 보여준 성과”라며 “향후 직접 성장과 대면적 공정 기술이 더해지면 저전력 2차원 CMOS 집적회로의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.