KAIST, 극저온에서 더 쎈 반도체 소자 개발

전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀, 실리콘 한계넘어

KAIST 연구진이 고주파수 대역 및 극저온에서의 활용 가능성이 기대되는 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공했다.

이 소자는 온도가 낮아질수록 성능이 좋아지는 특성이 있다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 실리콘 전자 이동도와 포화 속도를 2배 이상 뛰어넘는 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe)기반의  반도체 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.

KAIST 이가영 전기및전자공학부 교수(왼쪽)와 석용욱 박사과정.

포화 속도(Saturation velocity)는 반도체 물질 내에서 전자나 정공이 움직일 수 있는 최대 속도를 말한다. 반도체의 전기적 특성을 평가할 수 있는 핵심 지표다.

최근 2차원 인듐 셀레나이드는  실리콘 반도체나 2차원 반도체보다 우수한 전자 이동도와 높은 전류값으로 인해 차세대 반도체 물질로 주목받고 있다. 그러나 대기 상태에서 산화에 취약하고 안정성이 떨어지는 단점이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 하부 절연막으로 고품질 2차원 육각형질화붕소(hBN) 물질을 활용했다. 상부 보호막으로는 얇은 인듐 금속을 활용해 인듐 셀레나이드의 단점을 개선했다.

또 핵심 채널층인 인듐 셀레나이드를 오염시키지 않고 2차원 이종접합 구조를 형성할 수 있도록 설계해 전자 이동도와 전자 포화 속도를 대폭 향상시켰다.

KAIST 고성능 반도체 소자 연구 결과가 실린 ACS 나노 저널 커버 이미지.

전자 이동도는 상온에서 최대 2,600㎠/Vs, 상온에서 2×10의7승㎝/s 수준의 전자 포화 속도 값을 얻었다. 현재 상용화된 실리콘 포화 속도 값은 (10의7승㎝/s)정도다.

석용욱 박사과정은 “그동안 과학기술계에서는 2차원 반도체 인듐 셀레나이드의 높은 전자 이동도와 포화 속도를 체계적으로 분석해 보고한 적이 없었다”라며 “향후 실제 극저온 및 고주파수 구동이 필요한 응용 기기에의 적용 연구가 필요하다”고 말했다.

이가영 교수는 “이번에 개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능해 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역에서의 동작이 가능할 것으로 예측된다”며 “저온으로 갈수록 소자의 성능이 대폭 개선돼 양자 컴퓨터의 양자 제어 IC(Integrated circuit)와 같은 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다”고 덧붙였다.

이 연구결과는  나노과학 분야 국제 학술지 `ACS 나노(Nano)' 3월 19일자 표지논문으로 출판됐다.

한편 이 연구는 △한국연구재단의 신진연구자지원사업 △기초연구사업 및 BK21 △KAIST의 C2(Creative & Challenging) 프로젝트 LX 세미콘-KAIST 미래기술센터 △그리포 포스코청암재단의 지원을 받아 수행됐다.