정창욱·권순용 교수팀
2차원 반도체와 준금속전극 에너지 장벽 차이 규명
수정 공식으로 소자 설계·성능 예측도 높여
울산과학기술원(UNIST)이 2차원 반도체 소재 상용화의 최대 난제였던 '접촉 저항' 문제를 해결할 수 있는 결정적 단서를 찾아냈다.
수 나노미터(nm) 이하 초미세 반도체 칩을 만들려면 실리콘을 대체한 2차원 소재(원자 수 겹 두께)가 필요하다. 하지만 이 2차원 소재를 기존 금속 전극에 연결하면 전자가 잘 흐르지 못하는 '접촉 저항'이 생긴다. 전자가 금속에서 반도체 소재로 갈 때 넘어야만 하는 '에너지 장벽(쇼트키 장벽)'이 높기 때문이다.
바일 준금속은 이러한 장벽을 낮출 수 있는 실험적 대안 소재다. 문제는 바일 준금속이 실험과 달리 이론적 계산에서 에너지 장벽이 높게 예측된다는 점이다. 실험과 이론 수치가 다른 원인을 찾지 못해 실제로 쓰기 어려웠다.
정창욱·권순용 UNIST 반도체소재·부품대학원 교수팀(이하 정 교수팀)은 2차원 반도체 소재와 바일 준금속이 맞닿을 때 생기는 이론·실험적 에너지 장벽 차이의 원인을 밝혀내고, 한발 더 나아가 새로운 예측 공식을 제시했다.
정 교수팀 연구에 따르면 이 같은 차이는 이황화몰리브덴 2차원 반도체 소재 내부의 '전도대 확장' 현상 때문이다. 전극과 반도체 소재가 특정 각도에서 맞닿으면 반도체 소재 내부의 전자 통로가 넓어지고, 넓어진 전자 통로가 에너지 장벽을 낮추는 역할을 한다는 것이다.
정 교수팀은 이러한 확인 결과를 토대로 에너지 장벽을 보다 정확히 예측할 수 있는 새로운 공식을 제시했다. '전도대 확장 효과'와 '진공준위 이동 효과'를 함께 고려한 공식이다. 여기서 진공준위 이동 효과는 기존에는 크기가 작아 무시했지만 정 교수팀은 얇은 2차원 반도체의 경우 작은 변화가 장벽 전체를 바꿀 수 있다는 점에서 채택했다.
정 교수팀은 새로운 공식을 이용해 기존 공식인 쇼트키 모트 법칙(Schottky-Mott rule)으로는 어려웠던 실험 결과를 정확히 재현했다.
정창욱 교수는 “2차원 반도체와 준금속 계면의 에너지 장벽 형성 원리를 근본적으로 규명한 연구 성과”라며 “더 정확한 이론 계산식으로 최적 소재 조합과 구조를 찾아낼 수 있어 차세대 반도체 설계의 시행 착오를 줄이고 개발 속도도 크게 높일 수 있을 것”이고 말했다.
이 연구 결과는 국제학술지 ACS나노 11월 4일자에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
