[쿠키과학] ‘반도체 전기 병목현상, 세계 최초 해결’… KAIST-성균관대, 반도체 접촉저항 해결 실마리

반도체 안에서 전기가 막히지 않고 흐르는 새로운 구조가 세계 최초로 확인됐다.

KAIST 신소재공학과 홍승범 교수팀, 신소재공학과 강기범 교수팀, 성균관대 조성범 교수팀은 공동연구로 전기가 저항 없이 흐르는 2차원 반도체 구조를 세계 최초로 구현하고 이를 직접 확인하면서 인공지능(AI) 반도체와 초저전력 반도체의 성능을 높일 핵심 원천기술을 확보했다.

이번 연구는 차세대 반도체의 가장 큰 난제로 꼽히는 접촉저항(Contact Resistance) 문제를 해결할 실마리를 제시한 것으로 평가받는다.

연구팀은 2차원 반도체에서 전류가 끊임없이 흐르는 새로운 구조를 구현, 나노미터 수준에서 전하 이동을 직접 관찰하는 분석 플랫폼을 개발했다.

반도체 칩은 금속 전극과 반도체가 맞닿는 경계에서 전류가 흐른다.

하지만 서로 다른 물질이 만나는 경계에서는 전기가 원활하게 흐르지 못하는 접촉저항이 발생한다.

접촉저항으로 전력이 열로 소모돼 성능이 떨어지고 전력 소비가 늘며, 반도체 소자가 작아질수록 접촉저항의 영향이 더욱 커진다.

기존 반도체는 금속 전극을 반도체 위에 올려 접촉시킨다.

이 과정에서 두 물질 사이에 전류가 막히는 경계가 생긴다.

연구팀은 금속과 반도체를 따로 붙이지 않고 백금 다이셀레나이드(PtSe₂)라는 단일 2차원 소재 안에서 준금속과 반도체 영역을 동시 구현했다.

준금속은 금속처럼 전기가 잘 흐르면서도 반도체와 비슷한 특성을 일부 갖는 물질이다.

연구팀은 원자층 두께만 조절해 하나의 박막 안에서 준금속과 반도체가 자연스럽게 이어지는 단일체 구조를 구현, 한 소재 안에서 성질만 바뀌도록 설계했다.

이 구조는 전류가 서로 다른 물질의 경계를 통과하지 않아 접촉 저항을 크게 줄일 수 있다.

연구팀은 원자힘현미경(AFM)으로 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 관찰한 결과 준금속 영역에서 반도체 영역으로 이동하는 전류는 기존처럼 특정 지점에서 막히거나 방향이 꺾이지 않았다.

전류는 하나의 길처럼 자연스럽게 이어졌고, 전류 병목현상도 발생하지 않는다는 사실을 처음 입증했다.

이는 지금까지 전기 신호만 측정해 추정했던 접촉 특성을 실제 전하 이동 모습으로 확인한 첫 사례다.

아울러 연구팀은 반도체 영역에 전기장을 가해 전류가 잘 흐르면서도 스위치처럼 켜고 끄는 반도체의 기본 기능도 구현했다.

이번 기술은 차세대 2차원 반도체의 접촉 저항을 획기적으로 줄이는 원천기술이 될 전망이다.

특히 AI 반도체, 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체를 비롯해 고성능 컴퓨터 프로세서와 미래 전자소자 개발에 활용할 수 있다.

연구팀이 개발한 나노미터급 전하 이동 분석 기술은 백금 다이셀레나이드뿐 아니라 다양한 2차원 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 소재에도 적용할 수 있어 차세대 반도체 설계의 범용 분석 플랫폼으로 활용 가능성이 크다.

홍 교수는 “이번 연구로 차세대 반도체의 성능을 떨어뜨리는 접촉 저항을 줄일 수 있는 구조를 실제로 확인했다"며 ”AI 반도체와 초저전력 반도체 등 다양한 2차원 반도체 소자 설계의 중요한 기반 기술이 될 것으로 기대한다"고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 김연규 박사과정과 견민승 박사, 성균관대 홍지훈 박사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 ‘매터(Matter)’ 7월호에 게재됐다.
(논문명: Nanoscale imaging of charge transport across the semimetal-semiconductor interface in monolithic platinum diselenide)

이재형 기자 jh@kukinews.com