차세대 2차원 반도체 나노소재로 주목받는 인듐 셀레나이드(InSe)는 실리콘 반도체보다 전자 이동도가 뛰어나고 포화 속도가 두 배 이상 빠르지만 활용 범위가 한정적이었다. 국내 연구진이 인듐 셀레나이드를 활용해 N형과 P형 반도체, 양극의 성능을 높일 수 있는 기술을 개발했다.
이가영 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수 연구진은 나노 반도체 인듐 셀레나이드 기반의 양극성 다기능 트랜지스터를 개발했다고 30일 밝혔다. 인듐 셀레나이드는 인듐과 셀레늄으로 이뤄진 무기 화합물 반도체로, 2차원 층간 결합을 이루고 있는 물질이다.
지금까지 인듐 셀레나이드는 N형 반도체 소재로만 사용돼 왔다. N형 반도체는 음의 전하를 가지는 자유전자가 움직여 전류를 만드는 반도체다. 하지만 인듐 셀레나이드로 P형 반도체는 구현하기 어려웠다. P형 반도체는 양의 전하를 띄는 '정공(hole)'이 전류를 만드는 반도체인데, 인듐 셀레나이드로는 정공을 유도할 수 없었기 때문이다.
연구진은 인듐 셀레나이드 소재로 정공을 만들어내기 위해 새로운 소자 구조를 설계했다. 인듐 셀레나이드 하부에 전극을 배치하고 금속과 반도체 접합 특성을 개선해 전자와 정공이 선택적으로 흐를 수 있는 양극성 특성을 구현하는 데 성공했다. 이번에 개발한 양극성 반도체 소자는 N형과 P형 트랜지스터에 모두 적용이 가능하다.
특히 이번 연구에서는 N형과 P형의 전류 꺼짐, 켜짐 비가 모두 10억 이상에 달했다. 전류 꺼짐, 켜짐 비가 높을수록 저전력으로도 고성능을 구현할 수 있다는 의미다. 실리콘 반도체 소자의 경우 일반적으로 1억 이하의 꺼짐, 켜짐 비를 보인다. N형과 P형 구동이 동시에 가능한 양극성 2차원 반도체의 경우도 N형과 P형 꺼짐, 켜짐 비가 동시에 1억 이상인 경우는 없었다. 2차원 반도체는 수직 방향으로 층상구조를 가진 반도체를 말한다.
이가영 교수는 "다기능 소자들은 일반적으로 복잡한 공정 과정과 구조를 요구해 제작과 집적에 어려움이 있다. 하지만 이번 연구에서 하나의 소자에서 다양한 기능을 구현할 수 있는 다기능 소자를 제작하는 데 성공했다"며 "이 기술은 공정 효율성을 높이고 회로 설계 유연성 향상에 기여할 것으로 기대한다"고 설명했다. 그러면서 "이번 연구는 인듐 셀레나이드를 기반으로 한 P형 응용 가능성을 새롭게 밝혔으며, 궁극적으로는 상보적 다기능 시스템으로서의 활용 가능성을 보여준다"고 덧붙였다.
이번 연구 결과는 나노 물리 분야 국제 학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 지난 18일 게재됐으며, 동시에 저널 표지 논문으로도 채택됐다.
참고 자료
Nano Letters(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04624