미래창조과학부(장관 최양희) 소속 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)의 나노구조물리연구단(단장 이영희)과 성균관대학교 에너지과학과 연구팀은 외부 환경에 따라 몸의 색깔이 변하는 카멜레온처럼, 온도에 따라 반도체에서 도체로 변신하는 2차원 신소재를 활용하여 전력손실이 적고 속도가 매우 빠른 차세대 반도체 소자를 개발했다.

머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 0.8nm 두께의 다이텔레륨 몰리브데늄을 이용한 것으로, 소형화에 한계가 있는 실리콘을 대신해 휘어지고 늘어나는 차세대 소자용 소재로 급부상할 전망이다. 여기서 다이텔레륨 몰리브데늄(MoTe2)은 상온에서 반도체 상태이나 고온에 노출됐다가 상온으로 돌아오면 도체로 변하는 등 반도체와 도체의 물성을 함께 갖고 있어 전자소자나 센서, 광소자 등의 신소재로 꼽힌다. 그래핀처럼 원자 하나 두께의 2차원 평면물질로 3차원 물질인 기존 실리콘 소자의 소형화 한계를 극복할 대안으로 주목받고 있다.

이번에 개발된 소자는 반도체 소자의 전극접합 부위에 레이저를 쬐는 방법으로 전류가 잘 흐르는 도체로 바꿔 소자를 제작한 것이 특징이다. 상온에서는 반도체 상태지만 레이저를 쬐어 고온에 노출된 부분만 도체 상태로 변하는 소재의 성질을 이용했다.

일반적으로 반도체 소자는 전극 역할을 하는 도체(금속)와 전자의 통로 역할을 하는 반도체 물질을 접합해 제작하는데, 두 물질 간 경계면의 전기저항이 커 소자 작동에 필요한 에너지 중 3분의 2가 열에너지로 소모된다. 연구진은 새로운 소자를 만들 때, 반도체 소자의 특성을 유지하면서 금속전극과의 접합 부위만 도체 상태로 바꿔 두 물질 경계에서 생기는 저항을 낮춤으로써 에너지 손실을 줄이는 한편, 소자의 효율을 올리는 데 성공했다.

또한 연구진은 지난 5월 500℃이상의 온도에서 반도체 성질이 금속 성질로 바뀌는 소재 특성을 밝힌데 이어, 레이저를 쬐는 간단한 방법을 이용하여 신개념의 반도체 소자 제작이 가능하다는 것을 증명했다. 이것은 전자기기의 동작속도를 좌우하는 전자이동도가 기존(2차원 반도체 소자) 대비 50배 이상 커 초고속, 저전력 전자기기 구현에 적합하고 공정이 간단해 제작비용을 줄일 수 있는 것이 장점이다. 앞으로 소재의 대면적화, 표면가공 기술 등의 개발을 통해 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 

연구를 주도한 양희준 교수는 “2차원 소재의 상전이 제어로 새로운 소자 개념을 제시했다”며 “5년 내 반도체 산업에 응용 가능한 소자를 개발할 것”이라고 말했다.

김희성 기자 (smted@hellot.net)