KAIST, 실리콘 한계 넘는 양극성 반도체 소자 개발

차세대 2차원 층상구조 나노소재로 주목받는 인듐 셀레나이드(InSe)는 실리콘 반도체보다 전자 이동도가 뛰어나고 포화 속도가 두 배 이상 빠른 장점을 지녔다. 그러나 주로 N형 반도체로만 사용돼 왔다.

KAIST 연구진이 이를 극복하고 N형 및 P형, 양극에 우수한 성능을 제공하는 인듐 셀레나이드 기반 기술을 개발해 차세대 전자 소자의 설계 및 상용화 가능성을 크게 앞당길 것으로 기대되고 있다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe) 기반 혁신적인 양극성 다기능 트랜지스터를 개발했다고 30일 밝혔다.

인듐 셀레나이드는 인듐과 셀레늄으로 이뤄진 무기 화합물 반도체다. 2차원 층간 결합을 이루고 있다. 인듐 셀레나이드는 N형 반도체로만 사용돼 왔다. 이는 P형 반도체 및 상보적 회로 구현에 필요한 양(P) 전하를 띄는 정공을 유도하기 어렵다는 문제 때문이다. 상용화의 큰 걸림돌로 작용한 이유다.

이가영 교수 연구팀은 정공 유도를 위해 추가적인 공정이나 다른 물질을 접목하는 다양한 시도에도 해결되지 못했던 문제점을 새로운 소자 구조 설계를 통해 실마리를 찾았다. 이번에 공개된 양극성 반도체 소자는 N형과 P형 트랜지스터에 모두 적용이 가능하다.

연구팀은 인듐 셀레나이드 하부에 전극을 배치하고 금속-반도체 접합 특성을 개선함으로써, 전자와 정공이 선택적으로 흐를 수 있는 양극성 특성을 구현하는 데 성공했다.

특히 이번 연구에서는 N형 및 P형 전류 꺼짐・켜짐 비가 모두 109(10억) 이상에 달하는 우수한 성능을 기록했다. 실리콘 반도체 소자의 경우 일반적으로 108 이하 꺼짐・켜짐 비의 단극성 구동을 띈다. N형과 P형 구동이 동시에 가능한 양극성 2차원 반도체의 경우도 N형과 P형 꺼짐・켜짐 비가 동시에 108 이상인 경우는 없었다.

2차원 반도체는 2차원 방향으로만 강한 원자 결합을 이룬다. 수직 방향으로는 층상구조를 가져 층상구조 반도체라고 불리기도 한다.

이가영 교수는 “다기능 소자들은 일반적으로 복잡한 공정 과정과 구조를 요구해 제작과 집적에 어려움이 있다. 그러나 이번 연구에서는 간단한 부분 게이트 구조를 도입해 하나의 소자에서 다양한 기능을 구현할 수 있는 다기능 소자를 제작하는 데 성공했다”며 “이 기술은 공정 효율성을 높이고 회로 설계 유연성 향상에 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다.

이 교수는 이어 “이번 연구는 인듐 셀레나이드를 기반으로 한 P형 응용 가능성을 새롭게 밝혔다”며 “궁극적으로는 상보적 다기능 시스템으로서의 활용 가능성을 보여준다”고 덧붙였다.

KAIST 전기 및 전자공학부 김민수 석박통합과정, 염동주 석사과정, 석용욱 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 나노 물리 분야 저명 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 2024년 12월 18일 출판됐다. 동시에 저널 표지 논문으로 채택됐다.

한편 이번 연구는 한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터, 한국연구재단 우수연구사업, KAIST 도약연구(UP) 사업, 그리고 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다.

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