조정호(왼쪽부터) 연세대 교수, 강주훈 성균관대 교수, 권용현 연세대 연구원, 김지현 성균관대 연구원.[연세대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 고집적 한계에 직면한 실리콘 반도체 소자를 대체할 대면적 고성능 이차원 반도체 전자소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 조정호 연세대학교 교수와 강주훈 성균관대학교 교수 공동연구팀이 이온이 주입된 형태의 절연층을 활용한 고성능 대면적 이차원 반도체 전자소자 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.

두께가 원자 단위인 이차원 반도체 소재는 고집적도의 칩 생산이 가능하지만 이론 대비 성능이 낮고 대면적 제작이 쉽지 않아 제품화에 어려움이 있었다.

연구팀은 전기적 특성이 우수하고 대면적 생산이 가능한 이차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)에 이온이 주입된 절연층(SEA)을 도입한 고성능 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 개발하여 문제해결의 실마리를 찾았다.

고성능 MoS2를 용액공정으로 대량 합성하고 잉크형태로 제작 후, 반도체 산업에서 활용하는 슬롯 다이 코팅 기법으로 절연층과 반도체층 모두 5인치 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하는 공정도 개발했다.

연구팀이 이온이 주입된 절연층을 활용해 고성능 MoS2 트랜지스터 전자소자의 구동을 확인한 결과 최고 전하이동도가 100cm2 V-1 s-1 이상이었다.

이는 기존 용액공정 기반 MoS2 트랜지스터들의 전하이동도가 산화실리콘 기판에서 약 1~5 cm2 V-1 s-1임과 비교해 최고 100배 이상 향상됐다.

연구팀은 슬롯 다이 코팅 기법을 활용해 MoS2/SEA 트랜지스터를 대면적 웨이퍼에 제작하고 로직회로에 응용했다.[연세대학교 제공]

또한 높은 전하이동도의 원인을 밝히기 위해 전하수송 현상과 절연 소재의 일함수를 분석한 결과, MoS2/SEA 반도체 전자소자에서 전하의 이상적인 이동을 관찰했다.

연구팀은 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 활용해 다양한 로직 회로를 구현하여 실제 전자 제품에 응용 가능성을 입증했다.

조정호 교수는 “이번에 개발한 전자소자는 대면적에 코팅한 MoS2 트랜지스터 중 최고 성능을 달성하여 이차원 반도체 소재의 고성능 소자화 및 대면적화를 동시에 만족하는 방법을 제시하고, 이차원 반도체 소자의 실용화 가능성을 높였다”고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스’ 6월 9일 게재됐다.