경상국립대학교 가좌캠퍼스. (사진=경상국립대 제공)

국내 연구진에 의해 반도체 소자의 성능과 수명을 획기적으로 향상시키는 기술이 개발됐다.

경상국립대학교 공과대학 나노·신소재융합공학과 세라믹공학 전공 박준홍 교수 연구팀은 충남대학교 김의태 교수 연구팀과 공동으로 비정질 탄화수소 박막의 반데르발스 적층기술을 활용해 2차원 반도체 소자의 성능과 수명을 획기적으로 향상시키는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

반도체 표면에 형성된 채널은 전하가 이동하는 통로로서, 반도체 소자의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소이지만, 외부의 화학적 환경에 의해 그 특성이 직접적으로 영향을 받기 때문에 표면 제어 기술이 핵심적이다.

특히, 소자가 발전함에 따라 반도체 채널의 두께가 원자 단위 수준으로 극단적으로 얇아짐에 따라 표면 제어의 중요도는 더욱 높아진다.

연구진은 2차원 반도체 소재인 전이금속 칼코겐 화합물은 3차원 반도체 소재와 반데르발스 적층 기술이 가능하다는 점을 이용했다. 계면에 화학적인 불안정/불균질 원자간 결합 없이 비정질 탄화수소 박막을 적층해 ‘0.3nm’의 반데르발스 갭을 형성, 외부의 화학적 환경에 의한 결함 발생을 원천적으로 차단하는 데 성공했다.

또한, 이 반데르발스 패시베이션(보호막 적층) 기술을 적용한 결과 2차원 반도체 소자의 전하이동도가 50% 이상 향상된 것과 더불어 소자의 수명과 화학적 내구성이 크게 증가됐다.

이번 연구를 주도한 박준홍 교수는 “이번 연구를 통하여 반도체 표면/계면에서의 화학적 복잡성을 반데르발스 공간을 형성함으로써 단순화시켜 공학적으로 제어 가능하다는 것을 확인했다”며 “실리콘 기술의 한계에 도달하고 있는 반도체 소자에 반데르발스 적층기술 활용으로 2차원 소재의 응용 가능성을 크게 넓히는 데 기반이 될 것으로 기대된다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단의 ‘우수신진연구 사업’과 ‘기초연구실 사업’의 지원으로 수행했다. 제1저자인 석사과정 이도현 씨를 포함해 15명의 반도체 소재/소자 분야 전문가가 참여했으며, 연구결과는 재료 분야 저명 학술지 '스몰(Small)'(IF 15.153)에 지난 4일 발표됐다.

한편, 경상국립대 신소재 공학 연구진은 첨단소재 분야에 우수한 연구 성과를 발표해 왔으며, 특히 2020년 이후로는 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업을 수주한 데 힘입어, 인공지능, 자율주행 시스템 및 센서에 적용하기 위한 첨단 반도체 소재/소자 연구를 활발히 수행하고 있다.