韓 연구진, ‘원자 크기’ 반도체 소자 구현

조문호 IBS 단장 연구팀

집적기술 발전 국제 전망 뛰어넘어

네이처 나노테크놀로지 발표

국내 연구진이 원자 크기에 불과한 극소형 반도체 소자(素子)를 구현하는 데 성공했다. 현재 반도체 공정의 한계를 넘어 소자의 초미세화를 앞당길 기술로 기대받는다.

2차원 반도체 모식도. 사진 제공=IBS

기초과학연구원(IBS)은 조문호 반데르발스양자물질연구단장 연구팀이 원자 크기 수준으로 작은 너비의 1차원 금속 물질을 2차원 반도체 기술에 적용해 새로운 구조의 극소형 반도체 소자를 구현했다고 3일 밝혔다. 연구성과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 이날 게재됐다.

반도체 소자의 크기를 줄여 집적도를 높이기 위한 연구가 끊임없이 이뤄지고 있지만 현재 기술로는 소자를 원자 크기까지 줄이는 데는 한계가 있다는 게 학계의 평가다. 현재 반도체 회로는 빛을 활용하는 리소그래피 공정으로 주로 제작되는데 원자 크기는 빛의 파장보다도 작기 때문이다. 2차원 반도체가 이 같은 한계를 넘어설 차세대 반도체로 제시됐지만 이를 실제로 만들 공정 기술은 없는 상황이다.



연구팀은 1차원 금속 물질을 활용해 기술적 난제를 해결했다. 1차원 금속은 내부 전자의 움직임이 1차원적으로 제한된 금속이다. 거울 쌍정 경계 폭이라 부르는 물질 크기가 0.4nm(나노미터·10억분의 1m)에 불과하다. 연구팀은 리소그래피 공정 없이 1차원 금속을 사용해 이황화몰리브덴이라는 2차원 반도체의 게이트 전극을 만들었다. 단순한 구조와 좁은 게이트 전극 덕분에 원치 않는 정전 용량을 최소화하고 회로 성능을 크게 높였다고 연구팀은 설명했다.

IBS는 이 반도체 소자가 국제전기전자기술자협회(IEEE)에서 2037년까지 전망한 반도체 기술 수준을 월등히 넘어선다고 강조했다. IEEE에서 보고하는 국제 디바이스 시스템(IRDS) 로드맵에서는 집적도 측면에서 2037년까지 0.5nm 수준의 반도체 기술을 전망하며 12nm 이하의 게이트 길이를 요구한다. 연구팀이 만든 반도체 소자의 게이트 길이는 이보다 짧은 수nm 수준이다.

조 단장은 “반도체 소자의 초미세화를 앞당길 핵심 기술”이라며 “새로운 물질 공정으로 초미세 반도체 공정에 적용돼 향후 다양한 저전력 고성능 전자기기 개발의 원천기술이 될 것으로 기대된다”고 말했다.