2차원 반도체 손상 없이 저전압 구동 260배 끌어올린 도핑 공정 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 2차원 반도체 원자층을 완벽히 보호하면서도 저전압 구동 성능을 최대 260배까지 끌어올린 혁신적인 도핑 공정 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 한국과학기술원(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.

이황화몰리브덴 2차원 반도체는 몰리브덴(Mo) 원자 하나와 황(S) 원자 두 개가 결합하여 층상 구조를 이루는 대표적인 2차원 전이금속 반도체 소재다.

원자 한 층 수준으로 극도로 얇은 2차원 반도체는 소자를 미세화하더라도 우수한 전기적 제어력을 유지할 수 있어 기존 실리콘을 대체할 차세대 반도체의 핵심 소재로 주목받고 있다.

하지만 저항을 낮추는 필수 도핑 과정에서 높은 에너지 입자에 의해 원자층 결정 구조가 파괴되는 치명적인 한계가 있었다.

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

연구팀은 두께가 2나노미터(nm)에 불과한 두 종류의 초박막을 쌓은 이중 보호층을 개발해 이 문제를 해결했다.

이 보호층은 플라즈마의 강한 물리적 충격은 튕겨내 방어하면서 도핑에 필요한 반응 물질(NHx 활성종)만 통과시키는 '화학 필터' 역할을 한다. 반도체의 결정 구조는 깨끗하게 보존하고 전자 농도를 크게 높여 접촉저항을 32분의 1 수준으로 대폭 낮출 수 있다.

NHx 활성종은 질소(N) 하나에 수소(H)가 1개 또는 2개 등) 결합해 화학 반응성이 매우 높아진 상태의 분자 조각(라디칼 또는 이온)을 의미한다.

특히 전자가 지나가는 길목 중 저항이 문제되는 특정 위치만 선택 도핑하는 '영역 선택적 저항 제어'를 구현, 아주 낮은 전압에서도 전류 흐름을 최대 260배나 끌어올리는데 성공했다.

이번 기술은 향후 초미세 저전력 논리소자, 모놀리식 3차원 반도체 및 2차원 CMOS에 활용될 것으로 기대된다.

연구팀은 선택적 도핑 기술을 더욱 미세화하고 대면적 공정으로 확장해 실제 집적회로에서도 안정적으로 활용할 수 있는 공정으로 발전시킬 계획이다.

최 교수는 "실제 반도체 제조공정에 적용하기 위해서는 도핑 균일성 검증, 공정시간 단축, 극도로 미세화된 소자에서의 도핑 영역 제어 등에 대한 추가적인 검증이 필요하다"고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술 개발사업과 중견연구 지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 실렸다.

jongseo12@news1.kr