한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 고주파수 대역 및 극저온 활용 가능성이 높은 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공했다. 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 개선되는 특성을 지녔다.
KAIST는 이가영 전기 및 전자공학부 교수팀이 실리콘 전자 이동도와 포화 속도(반도체 물질 내 전자·정공이 움직이는 최대 속도)를 2배 이상 뛰어넘는 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe) 기반 고이동도·초고속 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.
2차원 인듐 셀레나이드는 기존 실리콘 반도체 및 2차원 반도체보다 높은 전자 이동도와 높은 전류를 보여 차세대 반도체 물질로 주목받는다. 그러나 인듐 셀레나이드는 대기 중 산화에 취약하고 안정성이 떨어져 고성능 소자 개발이 어려웠다.
연구팀은 하부 절연막으로 고품질 2차원 육각형질화붕소(hBN) 물질을, 상부 보호막으로는 얇은 인듐 금속을 활용해 안정성과 성능을 개선했다.
또 핵심 채널층인 인듐 셀레나이드를 오염시키지 않고 2차원 이종접합(서로 다른 결정 반도체 2개의 층 또는 영역 사이 접점) 구조를 형성할 수 있도록 해 전자 이동도와 전자 포화 속도를 대폭 향상시켰다.
인듐 셀레나이드 전자 포화 속도를 체계적으로 분석해 보고한 것은 이번이 처음이다.
이가영 교수는 “개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능해 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역 동작이 가능할 것으로 예측된다”며 “저온으로 갈수록 소자 성능이 대폭 개선돼 양자 컴퓨터 양자 제어 집적회로(IC)와 같이 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다”고 말했다.
석용욱 KAIST 전기 및 전자공학부 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 ACS 나노에 3월 19일 저널 표지 논문으로 채택돼 출판됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
