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기초과학연구원(IBS·원장 노도영) 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀이 원자 크기 수준으로 작은 너비의 1차원 금속 물질을 2차원 반도체 기술에 적용해 새로운 구조의 극소형 반도체 소자를 구현했다.
국제전기전자기술자협회(IEEE)에서 2037년까지 전망한 반도체 기술 수준을 월등히 넘어서는 극소형 반도체 소자가 구현된 것이다.차세대 반도체 기술을 여는 돌파구로,다양한 저전력 고성능 전자기기 개발 원천기술이 될 것으로 기대된다.
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최근 반도체 소자 소형화가 물리적 한계에 직면하면서 2차원 반도체를 활용한 연구가 전 세계적인 기초·응용 연구로 주목받고 있다.2차원 반도체 물질은 극도로 얇은 두께에서도 우수한 반도체 특성을 나타내므로 차세대 반도체 산업의 핵심 소재로 손꼽힌다.다만 2차원 반도체 내 전자 이동을 수 나노미터(㎚) 이하 크기인 극한까지 줄일 수 있는 공정 기술은 없어,이를 집적회로로 확장하는 것은 불가능에 가까웠다.
집적도는 반도체 칩 안에 소자가 얼마나 조밀하게 들어가 있는지를 나타내는 척도이다.집적도가 높을수록 공정 단가가 낮아지고 더 많은 데이터를 빠르게 처리할 수 있어 칩을 구성하는 소자의 크기는 점점 작아져야 한다.기존 반도체 공정은 실리콘칩 표면에 원하는 패턴을 빛으로 그리는 리소그래피 공정을 통해 집적도를 결정한다.
IBS 연구팀은 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2)의 거울 쌍정 경계(MTB)가 폭이 0.4㎚에 불과한 1차원 금속임에 영감을 얻어 이를 반도체 소자의 게이트 전극으로 활용했다.이로써 연구팀은 리소그래피 없이 게이트 길이가 원자 크기 수준인 1차원 금속 기반의 반도체 소자를 구현했다.극소형 반도체 소자가 기반이 되는 논리 회로 구현에도 성공했다.
이번 성과는 기초물질과학 측면에서도 중요한 의미를 갖는다.반데르발스 에피 성장법을 통해 이황화몰리브덴 결정이 만나는 경계면을 원자 하나 수준 크기의 오차도 허용하지 않고 일렬로 정렬하여 완벽한 직선 형태의 1차원 금속상의 거울 쌍정 경계를 구현했다.합성된 1차원 거울 쌍정 경계는 수십 마이크로미터 규모이며,이것이 균일하고 안정적인 1차원 금속상임을 최초로 규명했다.
IEEE에서 보고하는 국제 디바이스 시스템(IRDS) 로드맵에서는 집적도 측면에서 2037년까지 0.5㎚ 수준의 반도체 기술을 전망하며 12㎚ 이하 트랜지스터 게이트 길이를 요구한다.이번 연구 성과는 1차원 거울 쌍정 경계로 인해 변조되는 채널 영역이 약 3.9㎚인 것을 입증해 실직적인 게이트 길이가 수 ㎚ 수준임을 확인했다.
조문호 연구단장은 “반데르발스 에피 성장으로 구현한 1차원 금속상은 새로운 물질 공정으로서 초미세 반도체 공정에 적용되어 향후 다양한 저전력 고성능 전자기기 개발의 원천기술이 될 것으로 기대된다”고 했다.
이번 연구는 3일 세계적 학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 게재됐다.
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