초박막 전극 신소재 개발, 차세대 반도체 활용에 한 걸음 다가서다

영화에서만 주로 볼 수 있었던 인공지능시스템, 자율주행 시스템을 일상생활 속에서 실현하기 위해서는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 프로세서가 더 많은 데이터를 처리할 수 있어야 한다. 그러나 컴퓨터 프로세서의 필수 부품인 실리콘 기반 논리 소자는 미세화·집적화가 심화되면서 공정비용과 전력 소모가 증가하는 한계가 있었다.

이러한 한계를 극복하기 위해 원자층 수준으로 매우 얇은 2차원 반도체에 기반한 전자소자 및 논리 소자 연구가 진행되고 있다. 그러나 2차원 반도체는 기존 실리콘 반도체 소자보다 도핑을 통한 전기적 특성 제어가 어려우므로 다양한 논리회로를 구현하기가 기술적으로 어려웠다.

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 황도경 박사와 군산대학교 (총장 이장호) 물리학과 이기문 교수 공동 연구팀이 새로운 초박막 전극 소재(Cl-SnSe2)를 개발함으로써 전기적 특성을 자유자재로 제어할 수 있는 2차원 반도체 기반 전자소자 및 논리소자를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 2차원 전극 물질인 Cl이 도핑된 셀렌늄화주석 (Cl-SnSe2)을 이용하여 반도체 전자소자의 전기적 특성을 선택적으로 제어할 수 있었다. 기존 2차원 반도체 소자는 페르미준위 고정현상으로 인해 N형 또는 P형 소자 중 하나의 특성만 보여 상보성 논리회로 구현이 어려웠다. 반면 연구팀이 개발한 전극 소재를 이용하면 반도체 계면과의 결함을 최소화하여 N형과 P형 소자 특성을 자유자재로 제어할 수 있다. 즉, N형, P형 소자를 별도로 제작할 필요 없이 하나의 소자에서 두 가지 기능을 모두 수행하는 것이다. 연구팀은 이렇게 개발한 소자를 통해 NOR(노어), NAND(낸드) 등 서로 다른 논리 연산이 가능한 고성능·저전력 상보성 논리회로를 구현하는 데 성공했다.

KIST 황도경 박사는 “기존 실리콘 반도체 소자의 미세화·고집적화로 인해 발생하는 기술적 한계로 실용화가 어려웠던 인공지능시스템 등 차세대 시스템 기술의 산업화를 앞당기는데 기여할 것”이라며, “개발된 2차원 전극 소재는 두께가 매우 얇아 높은 광 투과성과 유연성을 보여 차세대 유연·투명 반도체 소자에도 활용될 수 있을 것”이라 기대했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 나노및소재기술개발사업 및 정보통신방송기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Materials’(IF : 30.849)에 게재되었다.

온라인 중앙일보