IBS 반데르발스연구단, 2차원 반도체 원자층 치환 모듈형 트랜지스터 개발…온·오프비 1000만 배

2차원 반도체의 소자화 장벽

실리콘 반도체의 물리적 미세화 한계가 가까워지면서 원자층 두께에서도 전류를 제어할 수 있는 2차원 반도체가 차세대 소재로 주목받아 왔다. 그러나 실제 전자소자로 만들기 위해서는 넘어야 할 난관이 있다. 2차원 반도체는 표면 반응성이 낮아 외부 물질과의 계면을 균일하게 형성하기 어려워, 기존처럼 이종 재료를 층층이 쌓으면 계면 결함이 발생해 소자 성능이 떨어진다.

원자 치환으로 소자 구성 요소를 한 박막 안에

연구팀이 택한 출발 재료는 p형 반도체 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)이다. 이 물질은 텅스텐 원자층을 셀레늄 원자층이 위아래에서 감싼 구조로, 중심의 텅스텐은 그대로 둔 채 주변 셀레늄만 다른 원소로 바꾸면 전기적 성질이 바뀌는 특성이 있다.

연구팀은 다층 WSe₂ 박막에서 원하는 위치와 층의 셀레늄 원자를 각각 산소, 황, 텔루륨으로 치환했다. 그 결과 하나의 박막 안에 세 가지 기능 영역을 동시에 구성하는 데 성공했다. 셀레늄이 유지된 부분은 반도체, 산소로 치환된 부분은 절연막(산화텅스텐), 텔루륨으로 치환된 부분은 준금속 전극 접합층(이텔루륨화텅스텐)으로 각각 기능한다.

주요 성능 수치

이렇게 제작된 모듈형 트랜지스터에서 금속 전극과 반도체 사이의 에너지 장벽은 35.5meV로 측정됐다. 전류를 10배 변화시키는 데 필요한 게이트 전압 변화량(서브스레시홀드 스윙)은 61.3mV로, 상온에서 기존 전계효과 트랜지스터의 이론적 하한인 약 60mV에 근접했다. 켜짐과 꺼짐 상태의 전류 비율은 1000만 배 이상으로, 작은 전압 변화로도 전류를 안정적으로 제어할 수 있음을 확인했다.

기술적 의미와 한계

이 기술의 차별점은 트랜지스터를 구성하는 핵심 요소들을 외부 재료 추가 없이 단일 박막 내에서 완성했다는 데 있다. 계면 결함 문제를 소재 배합 단계에서 원천적으로 줄일 수 있어, 3차원 적층형 집적회로처럼 고집적 소자를 구성할 때 공정 복잡도와 불량률을 낮출 가능성이 있다. 다만 현재 연구는 실험실 규모에서 검증된 것으로, 연구팀은 향후 웨이퍼 크기의 대면적 공정으로 확장하고 실제 양산 적용 가능성을 별도로 검증할 계획이다. 이번 연구는 과기정통부 IBS 기초과학연구단 지원 사업으로 수행됐다.