국내 연구팀이 초박막 소재(MoS2)를 기반으로 한 두께 3 nm(나노미터) 반도체를 세계 최초로 개발했다.

개발된 초박막 반도체는 유비쿼터스, 모바일, 플렉시블, 웨어러블 환경 구현을 위한 반도체 소자의 초소형화 및 초절전형이 가능한 원천 기술이다.
이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업의 하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)의 일환으로 성균관대학교 유원종 교수가 수행했으며. 연구 결과는 권위 있는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(nature communcations)에 최근 게재됐다.

미래 모바일 환경에 맞는 초절전형 차세대 반도체 개발을 위해 세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있는 가운데, 최근까진 그래핀 (Graphene) 기술을 차세대 반도체에 적용시키고자 하는 연구가 진행돼왔다. 그러나 그래핀 기술은 실질적인 고성능 반도체 제작에 한계를 보이고 있어, 현재는 신물질 개발에 연구초점이 맞춰져 있는 상황이다.

연구팀은 기존 3차원(3D) 구조의 규소로 만들어지는 반도체 소자와 달리 2차원(2D) 구조를 갖는 소재 황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용해 수직형 p-n 접합 소자를 제작하는데 성공했다고 밝혔다.

황화몰리브데늄(MoS2)을 반도체 소재로 활용하면 반도체 특성을 지니면서도 초박막구조를 형성할 수 있다. 또한 반도체가 매우 얇아지는 만큼 동작에 필요한 전압도 급격히 낮아져서 전력 소모가 매우 작은 소자 제작이 가능하다. 특히, 기존의 3D 규소 반도체는 14 nm 수준 이하로는 제작이 불가능했으나, 이번 개발된 2D 구조의 반도체 소자는 3 nm급으로 매우 얇으면서 에너지 소모도 4배 이상 적어 미래 초소형 · 초절전형 반도체 소자로 사용될 것으로 많은 기대를 모으고 있다.

이번 연구는 MoS2 신물질이 차세대 반도체로 사용될 수 있는 가능성을 세계 최초로 확인한 것이며, 반도체 소자 두께와 에너지 소모를 4배 이상 줄이는 데 성공한 것에 의의가 있다. 이로 인해 현재 규소기반 반도체 소자의 중요한 걸림돌인 과다전력소모 문제를 극복할 수 있으며, 규소기반 반도체를 대체해 초고효율 광소자 개발에 중요하게 활용될 수 있을 전망이다.

연구를 수행한 유원종 교수는 “p-n 접합소자는 많은 반도체 전자 회로의 기본 소자로 활용되므로, 이런 기본 소자를 이루는 물질이 2D 소재로 대체될 경우 미래의 초고속 반도체, 고효율 광전소자, 신개념 투명 유연소자 개발 및 응용 연구를 가속화하게 될 것”이라고 밝혔다.

연구진은 이번 연구 성과에 대해 “최근 연구된 2D 소자는 전기적 도핑방법에 의해 동작된 데 반해, 이 기술은 화학적 도핑을 사용함으로서 소자 구조를 크게 단순화한 것에 특징이 있다”며 기존 기술과의 차이점을 밝혔다. 이어 “실용화를 위해선 5년에서 8년이란 시간이 소요될 것으로 보고 있다”며 실용화를 위한 선행과제가 남아있음을 시사했다.

초박막 소재를 기반으로 한 nm 두께의 반도체가 상용화되면 현재의 세계 반도체 시장 규모에 버금가는 경제적 효과가 있을 전망이다. 연구진은 “연구 성과가 상용화되면 2D 소재 기반 기술 개발에 따른 초절전형 모바일 산업 발전이 가속화되고, 2D 소재 광검출기 기술 개발에 따른 광통신 시장 규모가 확대될 것이라 생각한다”고 밝혔다.