- KAIST, 초박막 이중 보호층으로 플라즈마 원자층 파괴 문제 해결

초박막 보호층을 이용한 손상 없는 2차원 반도체 플라즈마 도핑.[KAIST 제공]
초박막 보호층을 이용한 손상 없는 2차원 반도체 플라즈마 도핑.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 2차원 반도체 원자층 손상없이 저전압 구동 성능을 최대 260배까지 끌어올릴 수 있는 새로운 도핑 공정 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 KAIST 최성율·김용훈·강기범 교수 공동연구팀이 초박막 이중 보호층을 활용해 이황화몰리브덴(MoS2) 2차원 반도체를 보호하면서 필요한 영역에 선택적으로 고농도 전자 도핑할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

원자 한 층 수준으로 극도로 얇은 2차원 반도체는 차세대 초미세 반도체 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 실리콘 반도체에서 사용하는 이온 주입이나 열 확산 방식으로 원하는 영역을 도핑하기 어렵다는 문제가 있다.

2차원 반도체의 상용화를 위해선 정교한 원자 구조를 보존하면서도 원하는 영역만 선택적으로 도핑하는 혁신적 공정 기술의 개발이 필요했다.

연구팀은 두께가 2nm에 불과한 두 종류의 초박막을 쌓은 이중 보호층을 개발해 이 문제를 해결했다.

이 보호층은 플라즈마의 강한 물리적 충격은 튕겨내 방어하면서도, 도핑에 필요한 반응 물질(NHx 활성종)만 쏙 통과시키는 ‘화학 필터’ 역할을 한다. 그 결과 반도체의 결정 구조는 깨끗하게 보존하면서도 전자 농도를 크게 높여 접촉저항을 32분의 1 수준으로 대폭 낮출 수 있었다.

특히 전자가 지나가는 길목 중 저항이 문제가 되는 특정 위치만 핀셋으로 집어내듯 선택 도핑하는 ‘영역 선택적 저항 제어’를 구현, 아주 낮은 전압에서도 전류 흐름을 최대 260배나 끌어올리는 데 성공했다.

최성률 KAIST 교수.[KAIST 제공]
최성률 KAIST 교수.[KAIST 제공]

이 기술은 2차원 반도체의 결정성을 보존하면서 필요한 영역의 저항만 선택적으로 낮출 수 있다는 점에서 차별화되며, 향후 초미세 저전력 논리소자, 모놀리식 3차원 반도체 및 2차원 CMOS에 활용될 것으로 기대된다.

다만 반도체 제조공정에 적용하기 위해서는 도핑 균일성 검증, 공정시간 단축, 극도로 미세화된 소자에서의 도핑 영역 제어 등에 대한 추가적인 검증이 필요하다는 것이 연구진의 설명이다.

최성률 교수는 “n형뿐만 아니라 상보적인 p형 2차원 반도체 기술과 결합하여 실제 2차원 CMOS 회로와 모놀리식 3차원 집적 반도체에서 성능 및 저전력 효과를 검증하는 것이 목표”라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술 개발사업과 중견연구 지원사업 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 8월 1일 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com