▲ (左) 유원종 성균관대학교 교수, 나노미터 두께 2D 소재를 화학도핑을 통해 제작된 초미세 인터페이스 p-n 접합 반도체의 모식도 .

국내 연구팀이 향후 유비쿼터스, 모바일, 플렉시블, 웨어러블 환경을 구현할 초박막 반도체를 개발했다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 유원종 성균관대학교 교수와 연구팀이 ‘초박막 소재(MoS2)를 기반으로 한 두께 3나노미터급(1나노미터: 10억분의 1미터) 반도체’를 세계 최초로 개발했다고 지난 24일 밝혔다.

현재 미래 모바일 환경에 맞는 초절전형 차세대반도체 개발을 위해 그래핀 기술을 차세대 반도체에 적용시키는 연구가 활발했다. 그러나 그래핀 기술은 실질적인 고성능 반도체 제작에 한계를 보인터라 또 다른 신물질 개발에 연구초점이 맞추어지고 있었다.

이에 연구팀은 기존 3차원(3D) 구조의 규소로 만들어지는 반도체 소자와 달리 2차원(2D) 구조를 갖는 소재인 황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용해 수직형 p-n 접합소자를 제작하는데 성공했다.

황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용하면, 반도체 특성을 지니면서도 초박막구조를 형성할 수 있다. 또한, 반도체가 매우 얇아지는 만큼 동작에 필요한 전압도 급격히 낮아져서 전력소모가 매우 작은 소자 제작이 가능하다.

특히, 기존의 3D 규소 반도체는 14나노미터 수준 이하로는 제작이 불가능하였으나, 이번 개발된 2D구조의 반도체 소자는 3나노미터급으로 매우 얇으면서 에너지 소모도 4배 이상 적어 미래 초소형·초절전형 반도체 소자로 사용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 MoS2 신물질이 차세대반도체로 사용될 수 있는 가능성을 세계 최초로 확인했으며, 또한 반도체 소자 두께와 에너지소모를 4배 이상 줄이는 데도 성공했다.

이로 인해 현재 규소기반 반도체 소자의 중요한 걸림돌인 과다전력소모 문제를 극복할 수 있으며, 규소기반 반도체를 대체하여 초고효율 광소자 개발에도 중요하게 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 해당 기술은 국내외 특허 출원 중이다.

유원종 교수는 “p-n 접합소자는 많은 반도체 전자회로의 기본 소자로 쓰이므로, 이러한 기본 소자를 이루는 물질이 2D 소재로 대체될 경우 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구를 가속화할 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업의 하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(김광호 단장)의 일환으로 성균관대학교 유원종 교수가 수행하였으며. 본 연구결과는 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(nature communcations) 온라인으로 지난 24일에 게재되었다.