포스텍 조문호 신소재공학과 교수가 이끄는 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 반데르발스 양자 물질 연구단 연구팀이 극소형 반도체 소자를 구현하는데 성공했다.

이번 기술은 국제전기전자기술자협회(IEEE)에서 2037년까지 전망한 반도체 기술 수준을 뛰어넘는 획기적인 성과로 꼽힌다.

조문호 단장 연구팀은 원자 크기 수준으로 작은 너비의 1차원 금속 물질을 2차원 반도체 기술에 적용해 새로운 구조의 극소형 반도체 소자를 구현했다. 이는 차세대 반도체 기술을 여는 돌파구로, 다양한 저전력 고성능 전자기기 개발의 원천기술이 될 것으로 기대된다.

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 기술적으로 2차원 반도체 내 전자의 이동을 수 나노미터 이하의 크기인 극한까지 줄일 수 있는 공정 기술은 없어 이를 집적회로로 확장하는 것은 불가능에 가까웠다.

연구팀은 이러한 기술적 난제에도 게이트 길이가 원자 크기 수준인 1차원 금속 기반의 반도체 소자를 구현했다. 극소형 반도체 소자가 기반이 되는 논리 회로 구현에도 성공했다.

이 반도체 소자는 단순한 구조와 좁은 게이트 길이 덕분에 기존 전자 장치의 회로에 존재하는 원치 않는 정전 용량을 최소화해 회로 성능을 크게 향상시켰다.

국제전기전자기술자협회(IEEE)에서 보고하는 국제 디바이스 시스템(IRDS) 로드맵에서는 집적도 측면에서 2037년까지 0.5nm 수준의 반도체 기술을 전망하며 12nm 이하의 트랜지스터 게이트 길이를 요구한다. 이번 연구 성과는 1차원 거울 쌍정 경계로 인해 변조되는 채널 영역이 약 3.9nm인 것을 입증해 실직적인 게이트 길이가 수 nm 수준임을 확인했다.

연구를 이끈 조문호 연구단장은 “반데르발스 에피 성장으로 구현한 1차원 금속상은 새로운 물질 공정으로서 초미세 반도체 공정에 적용, 다양한 저 전력 고성능 전자기기 개발의 원천기술이 될 것으로 기대된다”고 언급했다.

이번 연구는 세계적 학술지 네이처 나노테크놀로지 지에 3일 게재됐다.