KAIST, 반도체 속 '전기 병목현상' 해결 실마리 발견

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 차세대 반도체 소자의 고질적 난제였던 '접촉 저항'과 이로 인한 '전기 병목현상'을 획기적으로 해결할 수 있는 신구조를 개발했다.

이를 통해 전류가 막힘없이 흐르는 모습을 세계 최초로 입증하는 데도 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 홍승범·강기범 교수 연구팀이 성균관대학교와 원자 한두 층 두께의 초박막 2차원 소재에서 전류가 끊김 없이 흐르는 단일체 구조를 구현했다고 13일 밝혔다.

아울러 연구팀은 이를 나노미터 수준에서 직접 관찰할 수 있는 분석 플랫폼도 함께 개발했다.

기존 반도체는 전기가 들어오는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계면에서 발생하는 '접촉 저항' 때문에 성능 저하와 전력 손실을 겪어왔다. 반도체 소자가 미세화될수록 이 저항의 영향력이 커져 차세대 반도체 개발의 큰 걸림돌로 작용했다.

소자 단위의 평균적인 전기 신호 측정에만 의존했던 기존 연구 방식과 달리 연구팀은 물리적인 접합 형태를 바꾸는 발상의 전환을 시도했다.

공동연구팀은 기존처럼 금속 전극을 반도체 위에 인위적으로 붙이는 방식에서 벗어났다. 대신 하나의 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드 박막 내부에서 원자층 두께를 조절하는 방식을 택했다.

이를 통해 화학적 잔류물이나 구조적 결함(반데르발스 갭)이 없는 상태로 전기가 잘 흐르는 '준금속(반금속)' 영역과 '반도체' 영역이 연속적으로 이어지는 이종 위상 접합 단일 구조체를 세계 최초로 구현해 냈다.

연구팀은 자체 개발한 원자힘현미경(AFM) 분석 플랫폼의 탐침을 활용해 박막 내부에서 전하가 이동하는 평면 내 전류 흐름을 나노미터 수준에서 직접 시각화했다.

측정 과정에서 시료의 마찰 손상을 최소화하고 안정적인 전류 신호를 확보하기 위해 AFM 팁의 인가 하중 등 정밀한 실험 조건을 경험적으로 최적화하는 까다로운 과정을 거쳤다.

그 결과 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 넘어갈 때 흐름이 막히거나 꺾이는 병목현상 없이 뚜렷한 저항 장벽 없이 연속적으로 흐른다는 사실을 확인했다.

여기에 그치지 않고 연구팀은 생성된 반도체 영역에 실제 트랜지스터처럼 전기장을 가해 소자 동작을 검증했다. 그 결과 전류의 흐름이 제어 장치에 의해 안정적으로 변조되는 것을 확인하며 트랜지스터로서의 확실한 기능과 차세대 전자소자로서의 실용화 가능성을 동시에 입증했다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인한 세계 최초의 사례”라며 “단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 만큼, 다양한 차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결하는 핵심 원천기술로 활용될 것으로 기대한다”고 설명했다.