[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 국내 연구진이 온디바이스 시대를 앞두고 반도체를 소형화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 메모리·비메모리 반도체에 모두 적용이 가능해 향후 상용화 시기에는 다각도로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기 및 전자공학부 이가영 교수 연구팀이 양극성 반도체 특성을 가진 2차원 나노 반도체 기반의 다기능 전자 소자를 개발했다고 2일 밝혔다.

연구 요약 및 기존 소자와 비교한 신규 개발 소자 양극성 반도체 특성 [자료=한국과학기술원] 2024.02.02 biggerthanseoul@newspim.com

다기능 전자 소자는 기존 트랜지스터와 달리 전압에 따라 기능을 변환할 수 있는 소자로, 연구팀의 소자는 양극성 트랜지스터, N형 트랜지스터, 다이오드, 항복 다이오드, 광 감지 소자로 변환 가능해 폭넓은 사용이 가능하다.

기존 실리콘 반도체보다 성능이 뛰어난 이황화 몰리브덴(MoS2)은 층상 구조의 2차원 반도체 나노 소재로, 전자가 흐르는 N형 반도체 특성을 가지면서 대기에서 안정적이다.

기존 실리콘 반도체가 미세화될수록 성능 저하에 취약함에 반해, 이황화 몰리브덴은 관련 문제가 적어 차세대 반도체로서 학계뿐만 아니라 삼성, TSMC, 인텔과 같은 산업계에서의 연구도 활발하다. 

그러나 상보적 금속산화막 반도체(CMOS) 구현을 위해서는 음(N) 전하를 띄는 전자뿐만 아니라 양(P) 전하를 띄는 정공 유도도 필요하다. 실제 이황화 몰리브덴에서는 정공 유도가 어려웠다.

이 문제를 해결하기 위해 그동안 이황화 몰리브덴에 추가적인 공정을 도입하거나 다른 P형 물질을 사용하는 방법이 시도됐지만 공정이 어려운 상황이다.

연구팀은 채널 하부에 전극을 배치하고 금속/반도체 접합 특성을 개선해 전자와 정공 모두 선택적으로 흐를 수 있는 양극성 특성을 구현하는 데 성공했다.

전류의 켜짐/꺼짐 비를 대폭 높일 뿐만 아니라 양극성 트랜지스터, N형 트랜지스터, 다이오드, 항복 다이오드, 광감지 소자로 다기능 변조 동작이 가능한 이황화 몰리브덴 전자 소자를 개발할 수 있었다. 이를 기반으로 집적도가 개선된 논리 연산이 가능하다는 점도 증명했다.

온디바이스 AI 홍보물 [자료=마텔리오]

이번 기술 개발로 기존 실리콘 금속산화막 반도체(CMOS) 공정 호환성이 높은 공정 과정을 통해 차세대 2차원 반도체의 다양한 기능을 구현했다는 점이 높게 평가된다. IC칩에서 이황화 몰리브덴의 전자소자로의 활용성 및 실용성을 넓히는 계기가 될 것으로도 기대된다.

전기및전자공학부 송준기 석박통합과정 연구원은 "향후 이 기술을 활용할 수 있는 다면적 소재가 개발된다면 곧바로 상용화가 될 수 있다"며 "현재 소재 개발 역시 TSMC, 인텔, 삼성전자 등이 개발을 하고 있기 때문에 온디바이스 시대에 반도체 소형화에 도움을 줄 수 있을 것"이라고 말했다. 향후 4~5년 이후에 관련 소재 개발이 완료될 것이라는 게 반도체 업계의 시각이다.

이가영 교수는 "이번에 개발한 전자 소자는 주어진 전압 특성에 따라 다양한 기능을 수행하면서도 각 기능의 성능이 우수하다"며 "이번에 개발한 신개념 소자는 하나의 소자에서 다기능을 할 수 있어서 현재 수요가 급증하고 있는 맞춤형 반도체의 제작 및 공정 전환을 용이하게 할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 나노과학 분야의 저명한 국제 학술지인 'ACS Nano'에 지난달 26일 온라인판에 게재됐다.

biggerthanseoul@newspim.com