KIST, 차세대 반도체 활용에 한 걸음 다가서는 연구 성과

영화에서만 주로 볼 수 있었던 인공지능시스템, 자율주행 시스템을 일상생활 속에서 실현하기 위해서는 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 프로세서가 더 많은 데이터를 처리할 수 있어야 한다. 그러나 컴퓨터 프로세서의 필수 부품인 실리콘 기반 논리 소자는 미세화·집적화가 심화되면서 공정비용과 전력 소모가 증가하는 한계가 있었다.
 
이러한 한계를 극복하기 위해 원자층 수준으로 매우 얇은 2차원 반도체에 기반 한 전자소자 및 논리 소자 연구가 진행되고 있다. 그러나 2차원 반도체는 기존 실리콘 반도체 소자보다 도핑을 통한 전기적 특성 제어가 어려우므로 다양한 논리회로를 구현하기가 기술적으로 어려웠다.

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진)은 광전소재연구단 황도경 박사와 군산대학교 (총장 이장호) 물리학과 이기문 교수 공동 연구팀이 새로운 초박막 전극 소재(Cl-SnSe2)를 개발함으로써 전기적 특성을 자유자재로 제어할 수 있는 2차원 반도체 기반 전자소자 및 논리소자를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구 배경은

기존 실리콘 반도체 소자는 미세화/고집적화로 인해 누설 전류, 공정비용 등이 증가하고, 인공지능 등 복잡한 연산을 수행하는 데 전력 소모가 큰 단점이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 국내외적으로 원자층 수준의 얇은 2차원 반도체를 기반한 전자소자 및 논리 소자에 대한 많은 연구가 진행됐다. 하지만, 이러한 2차원 반도체를 이용할 경우 기존의 실리콘 반도체 소자에 비해 전기적 특성을 제어하기 어려워 고성능의 논리소자 구현하기가 기술적으로 어려웠다.

연구 내용은

연구에서는 새로운 전극 소재(Cl-SnSe2)를 활용해 전기적 특성이 자유자재로 제어가능한 ‘2차원 반도체 기반 전자 소자 및 상보성 논리 소자’를 개발했다. 지금까지 일부 보고된 2차원 반도체 소자는 금속과 반도체 접합시 발생하는 페르미준위 고정현상(Fermi-level pinning)으로 인해, N형 또는 P형 소자 둘 중 하나만 구현되기 때문에 상보성 논리소자를 구현하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 페르미준위 고정현상이 2차원 전극 신소재 이용할 때 완화된다는 데 착안, 반도체 소자의 N형 또는 P형 특성을 자유자재로 제어하여, 궁극적으로 인버터(Inverter), 노어(NOR), 낸드(NAND) 등 고성능 논리소자를 개발하는 데 성공하였다.
 
기대 효과는

새로운 2차원 전극 소재를 활용해 반도체 기반의 전자 소자 및 상보성 논리 소자를 만들 수 있는 설계 기술은 기존 실리콘 반도체 소자의 미세화·고집적화로 인해 발생하는 문제를 혁신적인 방법으로 해결하여, 향후 인공지능, 자율주행 시스템 등 미래산업에 크게 기여할 것으로 예상된다.

또한, 새로운 2차원 전극 소재는 매우 얇은 두께로 인해 높은 광투과성과 기계적 변형에도 잘 견디는 유연한 특성을 보여, 차세대 유연·투명 반도체 소자의 핵심 물질로 활용될 것이라 기대된다.