KAIST(총장 배충식) 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 신소재공학과 강기범 교수, 성균관대학교 조성범 교수 연구팀과 공동으로 차세대 반도체 소자로 주목받는 2차원 소재에서 전기가 막힘없이 흐르는 새로운 구조를 세계 최초로 구현하고, 이를 나노미터 수준에서 직접 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 개발했다.

 

반도체는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 접촉 저항이 발생해 성능이 떨어지고 전력 손실이 나타난다. 반도체가 점점 소형화될수록 접촉 저항의 영향은 더욱 커져 차세대 반도체 개발의 핵심 기술적 난제로 꼽혀왔다.

 

연구팀은 기존처럼 금속 전극을 반도체 위에 붙이는 대신, 하나의 2차원 소재 안에서 원자층 두께를 조절하는 방식을 택했다. 단일 백금 이셀레나이드(PtSe2) 소재 내에서 층수를 달리해 반금속 영역과 반도체 영역을 하나의 구조체 안에 동시에 만들어내는 이종 위상 접합 구조를 구현한 것이다. 이를 통해 반금속과 반도체 위상 경계면에서 전하가 뚜렷한 저항 장벽 없이 연속적으로 흐른다는 점을 확인했으며, 생성된 반도체 영역이 전기장에 의해 성공적으로 변조되어 트랜지스터로서의 기능도 증명했다.

 

 

또한 원자현미경(AFM)을 이용해 계면을 가로지르는 전하의 이동을 직접 시각화하는 데도 세계 최초로 성공했다. 이 분석 플랫폼은 다양한 2차원 물질 기반의 복잡한 계면에서 일어나는 전하 이동 분석에 범용적인 프레임워크를 제공함으로써 향후 진보된 나노스케일 전자 소자 설계의 기반이 될 것으로 기대된다.

 

이번 연구 성과는 차세대 2차원 전자 소자, 초고속 컴퓨터 프로세서, 저전력 반도체 칩, AI 응용 소형화 하드웨어 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있다. 연구팀은 향후 이 방법론을 다른 2차원 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 접합 시스템으로 확장 적용할 계획이다. 이번 연구는 AI 반도체와 초저전력 반도체 등 미래 반도체의 성능과 전력 효율을 높일 핵심 원천기술로 주목받고 있다.

 

헬로티 김재황 기자 |