원자층 단위 제어로 ‘모듈형 트랜지스터’ 제작 성공

기초과학연구원(IBS) 연구진이 원자층 단위에서 반도체 소재의 전기적 특성을 자유롭게 바꾸는 기술을 개발하며 차세대 초미세 반도체 구현 가능성을 제시했다.

과학기술정보통신부와 IBS는 조문호 IBS 반데르발스 양자 물질 연구단장 연구팀이 2차원 반도체를 구성하는 원자를 선택적으로 치환해 하나의 박막 위에 반도체와 절연체, 준금속을 구현하는 ‘모듈형 트랜지스터 제작 기술’을 개발했다고 16일 밝혔다.

연구 성과는 국제 학술지 사이언스(Science)에 게재됐다.

원자 바꿔 원하는 기능 구현

연구진은 2차원 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)을 기반으로 특정 원자만 선택적으로 바꾸는 기술을 개발했다.

중심 금속 원자인 텅스텐은 유지한 채 셀레늄 원자를 산소(O), 황(S), 텔루륨(Te)으로 치환해 각각 절연체인 산화텅스텐(WOx), n형 반도체인 이황화텅스텐(WS₂), 준금속인 이텔루륨화텅스텐(WTe₂)을 구현했다.

특히 온도와 반응 기체 압력을 정밀하게 제어해 약 0.7나노미터 수준의 원자층 단위로 물질을 변환하는 데 성공했다.

또 반도체 제조 공정에서 사용하는 마스크 기술을 적용해 원하는 위치만 선택적으로 변환할 수 있음을 입증했다.

반도체·절연막·전극을 하나의 박막에 구현

연구팀은 해당 기술을 활용해 반도체 채널과 절연막, 전극 접합층을 하나의 박막 안에 직접 구현한 모듈형 트랜지스터를 제작했다.

준금속 접합층을 적용한 결과 전하 이동을 방해하는 에너지 장벽은 35.5밀리전자볼트(meV)까지 낮아졌으며, 이는 기존 금속 전극 직접 접촉 방식 대비 약 3분의 1 수준이다.

또 전류를 10배 변화시키기 위해 필요한 전압 변화량은 61.3밀리볼트(mV)로 트랜지스터의 이론적 한계치인 60mV에 근접했다.

켜짐·꺼짐 상태의 전류 비율도 1,000만 배 이상을 기록해 우수한 전류 제어 성능을 확보했다.

차세대 적층형 반도체 응용 기대

연구진은 p형과 n형 트랜지스터를 수직으로 적층한 CMOS 인버터도 구현해 실제 집적회로 적용 가능성을 확인했다.

특히 절연막의 등가산화막두께(EOT)가 1나노미터 이하 수준을 달성해 국제 반도체 로드맵(IRDS)이 제시한 초미세 소자 목표 수준에 도달했다고 설명했다.

연구팀은 향후 다양한 2차원 반도체 소재와 웨이퍼급 대면적 공정으로 기술을 확대하고, 3차원 적층형 집적회로 등 차세대 저전력 반도체 개발에 활용할 계획이다.