"실리콘 한계 넘자"…2차원 반도체 개발 열기

기존 반도체 발열·전력소모 문제 해결-인공지능, 자율주행 등 차세대 시스템 활용

최근 주목받는 인공지능이나 자율주행, 사물인터넷(IoT), 빅데이터 등의 기술을 일상에 적용하려면 대량의 정보를 더욱 빠르고 효율적으로 처리하는 고성능 반도체가 필수다.

지금까지는 반도체 회로 선폭을 좁혀가며 단위면적당 소자 집적도를 높여가는 방식으로 대응해 왔다. 하지만 실리콘 소재로는 더 이상 반도체의 소형화가 힘들고, 발열로 인한 성능 저하와 전력 소모도 감당하기 어려운 상황이다.

■ 2차원 반도체 주목받는 이유

이에 따라 실리콘 소재 대신 2차원 나노 소재를 활용한 2차원 반도체가 주목받고 있다. 2차원 소재는 그래핀과 같이 원자층 하나의 두께를 가진 물질로, 일반적 물질과는 다른 특성을 보여 실리콘 소재를 대체할 가능성을 주목받고 있다.

하지만 실리콘 반도체에 비해 전기적 특성을 제어하기 어려워 원하는 논리 소자를 구현하기 어렵다는 문제가 있다. 실리콘 반도체의 특성을 제어하기 위해 쓰이는 도핑을 2차원 반도체에 적용하는 방법은 아직 확립되어 있지 않다. 반도체와 금속 전극 접합면 사이에서 전자의 움직임을 방해해 반도체 작동을 막는 페르미 준위 고정 문제도 해결해야 한다.

이같은 2차원 반도체의 문제를 해결하기 위한 시도들이 최근 학계에서 다양하게 이뤄지고 있다.

■ 2차원 반도체 소자와 전극, 장벽을 넘어라

한국과학기술연구원(KIST)은 2차원 반도체를 위한 새로운 초박막 전극 소재(Cl-SnSe₂)를 개발했다고 27일 밝혔다. 이 소재를 써서 전기적 특성을 자유롭게 제어할 수 있는 2차원 반도체 기반 전자소자 및 논리소자를 구현했다.

KIST 광전소재연구단 황도경 박사와 군산대학교 물리학과 이기문 교수 공동 연구팀은 2차원 전극 물질인 염소(Cl)가 도핑된 셀렌늄화주석(Cl-SnSe₂)을 활용, 반도체 전자소자의 전기적 특성을 선택적으로 제어하는데 성공했다. 기존 2차원 반도체 소자는 페르미 준위 고정 현상으로 인해 N형 또는 P형 소자 중 하나의 특성만 보여 상보성 논리회로 구현이 어려웠다.

반면 연구팀이 개발한 전극 소재를 이용하면 반도체 계면과의 결함을 최소화해 N형과 P형 소자 특성을 자유롭게 제어할 수 있다. N형과 P형 소자를 별도 제작할 필요 없이 하나의 소자에서 두 가지 기능을 모두 수행하는 것이다. 연구팀은 이렇게 개발한 소자를 통해 NOR(노어), NAND(낸드) 등 서로 다른 논리 연산이 가능한 고성능·저전력 상보성 논리회로를 구현했다.

이번 연구에서 구현된 2차원 반도체 전자 소자의 구조와 전자 현미경 사진. 전극과 반도체 계면에서 결함이 없음을 확인할 수 있다. (자료=KIST)

황도경 박사는 "이번에 개발된 2차원 전극 소재는 두께가 매우 얇아 높은 광 투과성과 유연성을 보여 차세대 유연·투명 반도체 소자에도 활용될 수 있을 것"이라 기대했다.

연세대 조만호 물리학과 교수 연구팀은 2차원 반도체가 표면에 반데르발스 결합을 형성하는 특성에 착안해 반도체와 금속 접합면의 저항 문제를 해결했다. 반데르발스 물질은 약하게 층층이 결합된 구조를 가진 물질이다. 한 층을 떼어내거나, 다른 종류의 층들을 쌓아 새로운 성질의 물질로 만들기 쉽다.

이같은 특성으로 인해 2차원 반도체는 금속과 화학적 결합을 억제할 수 있어 결함 형성을 최소화할 수 있다는 점을 이용했다. 계면에 화학적 결합이 없으면서도 금속과 접촉할 경우 금속 원자들의 충돌을 완화하는 완충층을 새롭게 고안했다. 또 금속층 형성 후 간단하게 완충층을 제거하는 방법을 확보해 이상적인 금속-반도체 계면을 형성했다.

이를 이용하면 금속 접촉 특성을 조절해 다양한 반데르발스 표면 특성을 갖는 2차원 반도체의 n형 및 p형 소자 개발이 가능하다.

WSe2와 Au 간 이상적인 반데르발스(vdW) 금속 접합과 그렇지 않은 접합의 투과전자현미경. (자료=연세대)

■ 잉크로, 빛으로...2차원 반도체 도전

성균관대학교 강주훈 신소재공학과 교수 연구팀은 2차원 소재가 포함된 잉크로 대면적 웨이퍼에 쉽고 빠르게 소자를 구현하는 공정을 개발했다.

연구팀은 다양한 광물의 원자층 사이사이에 분자를 침투시켜 도체, 반도체, 부도체 특성을 갖는 2차원 소재 잉크를 합성했다. 이를 기반으로 소자 특성이 좋고 구동전압이 낮은 반도체 소자를 웨이퍼 단위로 블럭 조립하듯이 구현하는 방식을 개발했다.

생산 효율이 떨어지고 대면적 작업이 어려운 기존 2차원 소재 생산법의 문제를 해결, 실제 산업에 필요한 다양한 고성능 반도체 소자를 맞춤제작할 수 있으리란 기대다.

고품질 2차원 소재 잉크 생산 및 조립 공정 연구 개념도 (자료=성균관대)

기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단은 서로 다른 파장의 빛으로 2차원 반도체 물질을 도핑할 수 있음을 발견하고, 이를 활용해 원자층 집적회로 소자를 구현했다. 2차원 반도체 소재 이텔루륨화몰리브덴(MoTe2)에 자외선을 쐬자 몰리브덴 원자 일부를 탈락시키며 N형 반도체로 바뀌었고, 가시광선을 비추자 텔루륨 원자가 있던 자리를 산소로 치환하며 양공을 늘여 P형 반도체로 바꾸었다.

한편 KAIST 김용훈 전기및전자공학부 교수 연구팀은 2차원 반도체 소자의 움직임을 원자 수준에서 시뮬레이션하는데 성공했다. 2차원 소자의 성능에 영향을 미치는 요소들을 확인할 수 있는 전산 설계 원천 기술을 확보한 것이다. 연구팀은 그래핀 전극 간 장벽을 전자가 투과하는 방식으로 작동하는 2차원 터널링 트랜지스터 소자의 시뮬레이션을 수행했다.