성균관대 유원종 교수 "초소형·초절전 반도체소자 원천기술"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 초박막 소재로 두께 3나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)급의 2차원 반도체를 제작하는 기술을 개발했다.

성균관대 유원종 교수는 기존 3차원(3D) 구조의 규소(Si)로 만드는 반도체 소자와 달리 2차원(2D) 구조 소재인 황화몰리브데넘(MoS₂)을 반도체 소재로 활용, 수직형 p-n 접합소자를 제작하는 데 성공했다고 밝혔다. 

연구진은 이 초박막 반도체는 유비쿼터스, 모바일, 플렉시블, 웨어러블 환경 구현을 위한 반도체 소자의 초소형화 및 초절전화가 가능한 원천기술로 현재 국내외 특허를 출원 중이며 실용화에 5∼8년이 소요될 것으로 내다봤다.

이 연구 결과는 이날 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'(NatureCommuncations) 온라인판에 게재됐다.

현재 미래 모바일 환경에 맞는 초절전형 차세대반도체 개발을 위해 세계적으로 많은 연구가 이뤄지고 있으며 최근까지 그래핀(Graphene) 기술을 이에 적용하려는 연구가 이어지고 있다. 

성균관대 그래핀/2D연구센터 유원종 교수

그러나 그래핀 기술은 실질적인 고성능 반도체 제작에 한계를 드러내고 있고, 최근 연구는 신물질로 초절전형 차세대반도체를 개발하는 데 초점이 맞춰지고 있다. 

연구진은 2차원 구조 소재인 황화몰리브데넘을 반도체 소재로 활용, 3염화금(AuCl₃)과 벤젠바이올로젠(Benzyl viologen) 용액을 사용한 화학적 도핑기술을 적용해 수직형 p-n 접합 트랜지스터를 제작했다. 

황화몰리브데넘은 반도체 특성이 있으면서도 초박막구조를 형성할 수 있다. 반도체가 매우 얇아지는 만큼 동작에 필요한 전압도 낮아져서 전력소모가 매우 작은 소자 제작이 가능하다. 

연구진은 기존 3D 실리콘반도체는 14나노미터 수준 이하로는 제작할 수 없지만 이 2D구조 반도체 소자는 3나노미터급으로 매우 얇고 에너지 소모도 4분의 1에 불과해 미래 초소형·초절전형 반도체 소자로 사용될 것으로 기대된다고 설명했다. 

유원종 교수는 "p-n 접합소자는 많은 반도체 전자회로의 기본 소자로 이런 기본 소자를 이루는 물질이 2D 소재로 대체되면 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발·응용 연구가 가속할 것"이라고 말했다.

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