2차원 소재 안에서 반금속-반도체 이음매 구현
접촉저항, 차세대 반도체 최대 난제로 꼽혀
나노미터 단위서 전류 흐름 세계 최초 시각화
AI·초저전력 반도체 원천기술 확보 기대

(사진 왼쪽부터) KAIST 강기범 교수, 견민승 박사, 김연규 박사과정, 홍승범 교수, (동그라미 왼쪽부터) 성균관대학교 홍지훈 박사과정, 조성범 교수.jpg (143KB) / 사진: KAIST

[대한경제=최지희 기자] 국내 연구진이 반도체 안에서 전기가 흐르다 막히는 지점, 이른바 ‘전기 병목현상’을 풀 실마리를 찾았다. 소재 하나 안에서 금속 역할을 하는 부분과 반도체 역할을 하는 부분을 끊김 없이 이어 붙여, 전기가 걸리지 않고 흐르는 모습을 처음으로 확인했다.

13일 한국과학기술원(KAIST)에 따르면 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀은 강기범 교수, 성균관대 조성범 교수 연구팀과 함께 이런 구조를 개발했다고 밝혔다. 사용한 소재는 원자 한두 층 두께의 아주 얇은 ‘2차원 소재’로, 차세대 반도체 재료로 주목받고 있다.

반도체는 보통 금속 전극을 따로 붙여 전기를 흘려보낸다. 문제는 이 금속과 반도체가 만나는 지점에서 전기가 잘 통하지 않는 ‘접촉저항’이 생긴다는 점이다. 이 저항 때문에 반도체 성능이 떨어지고 전력이 낭비된다. 반도체가 작아질수록 이 문제는 더 심해져, 업계에서는 오랫동안 풀지 못한 숙제로 꼽아왔다.

연구팀은 금속을 반도체 위에 따로 붙이는 대신, 백금 다이셀레나이드(PtSe₂)라는 소재 한 장 안에서 ‘금속처럼 전기가 잘 통하는 부분’과 ‘반도체 부분’을 자연스럽게 이어지도록 만들었다. 그 결과 두 부분의 경계에서도 전기가 막히거나 방향이 꺾이지 않고 매끄럽게 흐른다는 사실을 실험으로 확인했다. 연구팀은 아주 작은 탐침으로 표면을 훑어 전기 신호를 재는 현미경(AFM)을 이용해, 전기가 이동하는 모습을 나노미터(10억분의 1m) 단위에서 직접 눈으로 볼 수 있게 시각화했다. 이 소재로 실제 트랜지스터처럼 전기를 껐다 켰다 조절하는 실험도 성공했다.

이 기술은 AI 반도체나 저전력 반도체처럼, 성능과 전력 효율이 중요한 미래 반도체에 쓰일 핵심 기술로 꼽힌다. 접촉저항을 줄이는 이번 기술이 실용화되면, 데이터센터에 쓰이는 대형 AI 칩부터 스마트폰 같은 소형 기기의 저전력 칩까지 두루 영향을 줄 수 있다는 평가다.

홍승범 교수는 “반도체 경계에서 전기가 흐르는 모습을 나노미터 단위에서 직접 확인한 것은 이번이 처음”이라며 “이 경계가 전기 흐름을 막지 않는다는 사실을 실험으로 증명한 만큼, 앞으로 여러 차세대 반도체의 접촉저항 문제를 푸는 데 핵심 기술로 쓰일 것”이라고 말했다.

한편, 연구 결과는 국제학술지 ‘매터(Matter)’ 7월호에 실렸다. 연구팀은 앞으로 이 방법을 다른 2차원 반도체 소재에도 적용해볼 계획이다.

최지희 기자 jh606@

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