반도체 속 ‘전기 병목현상’ 해결책 찾았다

카이스트·성균관대 공동 연구팀
2차원 소재 내 전류 흐름 첫 입증
초저전력 반도체 개발 활용 기대

국내 연구진이 반도체의 성능을 떨어뜨리고 전력 낭비를 일으키는 전기 병목현상에 대한 해결법을 처음으로 찾아냈다.

카이스트 신소재공학과·성균관대 신소재공학과 공동 연구팀은 차세대 반도체 소자로 주목받는 2차원 소재에서 전기가 막힘없이 흐르는 새로운 구조를 설계하고 이를 나노미터 수준에서 직접 관찰할 수 있는 분석 플랫폼을 개발했다고 13일 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘매터’(Matter) 7월호에 실렸다.


반도체는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 접촉 저항이 발생해 성능이 떨어지고 전력 손실이 발생한다. 접촉 저항의 영향은 반도체가 점점 작아질수록 더 커지는 경향이 있어 차세대 반도체 개발의 가장 큰 기술적 난제로 꼽혔다.

연구팀은 이런 전기 병목현상을 막기 위해 금속 전극을 반도체 위에 붙이는 대신, 원자 한두 층 두께의 2차원 소재 안에 금속처럼 전기가 잘 흐르는 성질의 준금속과 반도체 영역을 연속적으로 구현했다. 같은 소재 안에서 두 영역이 자연스럽게 이어지도록 해, 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있음을 세계 최초로 입증한 것이다.

연구팀은 탐침으로 표면과 전기적 특성을 원자 수준까지 측정할 수 있는 원자힘현미경(AFM)으로 박막 내부에서 전하가 이동하는 모습을 나노미터 수준에서 직접 관찰하는 데도 성공했다. 단일 소재 내에 준금속과 반도체 영역을 연속 구현하면 전류의 흐름이 방해되지 않는다는 사실을 실험적으로 처음 입증한 것이다. 홍승범 카이스트 신소재공학과 교수는 “이번 기술은 인공지능(AI) 반도체, 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체 등 미래 반도체 기술 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 설명했다.



유용하 과학전문기자