[오늘의 과학자] 가장 얇은 반도체 소자 실현 가능성 입증

이관형 연세대학교 교수

2차원 신소재 적층을 통해 세계에서 가장 얇은(원자층 두께) 반도체에서 최고 속도의 전하 이동과 양자수송현상이 세계 최초로 관측됐다. 이에 따라 고성능·저전력·초스피드 양자소자와 초박형(Ultra-thin) 반도체의 실현 가능성을 입증해, 반도체와 정보통신기술(ICT) 산업경쟁력 강화에 기여할 전망이다.

미래창조과학부의 기초연구지원사업(신진연구자지원)과 연세미래선도연구사업의 지원으로 이관형 연세대학교 교수(제1저자/교신저자)가 주도한 연구팀이 진행한 이번 연구는 나노과학 분야의 세계적 국제학술지인 '네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology)'에 27일 게재됐다.

양자수송현상은 전자, 광자 등 파동특성을 보이는 양자가 물질 내에서 이동할 때 자기장과 같은 외부인자와 상호작용하여 양자진동이나 양자-홀 효과 등을 보이는 양자역학적 물리 현상을 말한다.


제임스 혼 미국 콜럼비아 대학교 교수 연구팀과 이철호 고려대학교 교수가 공동 연구자로 참여한 연구진은 차세대 반도체 소재로 관심을 모으고 있는 이황화몰리브덴과 그래핀, 유전체인 질화붕소(hBN)를 층층이 쌓는 방식으로 수개의 원자 층 두께로 얇고 매끄러운 계면을 가지는 신개념 소자구조를 개발해, 최고 전하 이동도를 측정하고 2차원 반도체의 양자수송현상을 관측하는 데 세계 최초로 성공하였다.

기존 연구에서 이황화몰리브덴 소자는 높은 전극 저항과 무질서한 이종계면 형성의 문제로, 이론치보다 훨씬 낮은 전하이동도를 보이는 등 기존 소자의 구조적 한계로 이황화몰리브덴 본연의 성능을 발휘하는 데에 큰 한계가 있었다.

연구진은 신개념 소자 적층 구조를 개발하여, 이종 물질 사이에서 아주 깨끗한 계면을 만들어, 이론적으로만 예상한 이황화몰리브덴의 최고 전하 이동도(3만4000㎠/Vs)를 처음으로 관측했다.


아울러 극저온 상태의 자기장 내에서 이동하는 전하와 자기장의 상호작용 현상을 측정하여, 이황화몰리브덴에서 일어나는 양자진동과 양자-홀 현상(양자수송현상)을 세계 최초로 관측했다. 기존에 고품질 반도체 혹은 그래핀에서만 관측되었던 현상을 2차원 반도체에서 최초로 확인해, 양자수송을 활용한 신개념 2차원 반도체 소자 구현의 가능성을 열었다.

이관형 교수는 "차세대 반도체로 주목받고 있었으나 그 활용 가능성이 입증되지 못했던 이황화몰리브덴의 빠른 전하 이동과 양자수송 현상을 입증해, 세계에서 가장 얇은 반도체를 활용한 차세대 반도체 소자 개발 및 정보통신기술(ICT) 산업 발전의 초석이 될 것으로 기대한다"고 의의를 밝혔다.