KAIST·성균관대, 2차원 반도체 ‘전기 병목’ 없앤 구조 세계 최초 입증…저전력 AI 반도체 길 열다

원자 한두 층 두께의 초박막 소재 안에서 전기가 끊김 없이 흐르는 새로운 반도체 구조가 나왔다.

KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 같은 학과 강기범 교수, 성균관대학교 조성범 교수 연구팀과 공동으로, 차세대 반도체 소자로 주목받는 2차원 소재(원자 한두 층 두께의 초박막 소재)에서 전기가 막힘없이 흐르는 구조를 구현하고 이를 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 수준에서 직접 관찰하는 분석 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다.

반도체는 크기가 작아질수록 금속 전극과 만나는 경계에서 전류가 막히는 ‘접촉 저항’ 문제가 커지는데, 이는 차세대 반도체 개발의 가장 큰 난제로 꼽혀왔다. 연구팀이 이 병목을 우회할 실마리를 실험으로 입증한 만큼, AI 반도체와 초저전력 반도체 등 미래 반도체의 전력 손실을 줄일 핵심 원천기술이 될 것으로 기대된다.

반도체를 작게 만들수록 커지는 ‘전기 병목’의 정체

반도체 안에서 전기가 흐르는 길목이 막히면 성능이 떨어지고 전력이 낭비된다. 이 병목의 핵심 원인은 접촉 저항(Contact Resistance, 서로 다른 두 물질이 맞닿는 경계에서 전기가 흐를 때 발생하는 저항)이다. 반도체 소자는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 전류가 흐르는데, 성질이 다른 두 물질이 맞닿는 지점에서 저항이 생겨 성능이 떨어지고 전력 손실이 발생한다.

문제는 반도체가 점점 작아질수록 이 접촉 저항의 영향이 더욱 커진다는 데 있다. 소자가 미세해지면 전극과 반도체가 닿는 면적도 줄어드는데, 저항이 집중되는 경계의 비중은 상대적으로 커지기 때문이다. 이 때문에 접촉 저항은 차세대 반도체 개발의 가장 큰 기술적 난제로 꼽혀왔다.

특히 원자 한두 층 두께의 2차원 소재는 차세대 반도체 소자로 주목받아 왔지만, 여기에 기존처럼 금속 전극을 위에 붙이는 방식으로는 접촉 저항 문제를 피하기 어려웠다. 얇은 소재일수록 경계에서 발생하는 저항의 부담이 더 크게 작용하기 때문이다.

금속을 ‘붙이지’ 않고 한 소재 안에서 이어 붙이다

연구팀의 해법은 금속 전극을 반도체 위에 붙이는 대신, 하나의 2차원 소재 안에서 준금속(금속처럼 전기가 잘 흐르는 성질)과 반도체 영역을 연속적으로 구현하는 것이었다. 서로 다른 두 물질을 맞대는 대신, 같은 소재 안에서 두 영역이 자연스럽게 이어지도록 만들어 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있음을 세계 최초로 입증했다.

구체적으로는 원자층 두께의 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드(PtSe₂, Platinum Diselenide) 하나의 박막 안에서 준금속 영역과 반도체 영역을 연속적으로 형성했다. 같은 소재 안에서 두 영역이 끊김 없이 이어지는 단일체(Monolithic, 하나의 소재를 끊김 없이 연속적으로 형성한 구조)를 구현함으로써, 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있는 새로운 구조를 제시했다.

이 구조가 실제로 작동하는지는 눈으로 직접 확인해야 했다. 연구팀은 원자힘현미경(AFM, Atomic Force Microscope, 탐침을 이용해 표면과 전기적 특성을 원자 수준까지 측정하는 현미경)을 활용해, 박막 내부에서 전하가 이동하는 모습을 나노미터 수준에서 직접 시각화했다.

전류의 실제 이동을 눈으로 확인…트랜지스터 동작까지 검증

관찰 결과, 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 이동할 때 흐름이 막히거나 방향이 꺾이는 ‘전기 병목현상’ 없이 자연스럽게 이어지는 것을 세계 최초로 확인했다. 이는 단일체 계면(하나로 연결된 두 영역의 경계면)이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 첫 사례다.

나아가 연구팀은 반도체 영역에 실제 트랜지스터(전류의 흐름을 제어하는 반도체의 기본 소자)처럼 전기장을 가해 동작을 검증했다. 그 결과 금속-반도체가 결합된 구조에서 전류의 흐름을 안정적으로 제어할 수 있음을 확인해, 차세대 전자소자로서의 활용 가능성도 입증했다. 홍승범 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인한 세계 최초의 사례”라며 “단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 만큼, 다양한 차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결하는 핵심 원천기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 2차원 소재를 이용한 차세대 반도체 소자의 접촉 저항을 획기적으로 줄일 수 있는 원천기술로, 향후 AI 반도체와 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체 등 미래 반도체 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.