반도체 공정이 갈수록 미세해지고 있지만, 실리콘이 쌓아온 한계를 넘기는 쉽지 않습니다. 더 얇고 빠르면서도 전력을 적게 쓰는 차세대 반도체를 만들기 위해 세계 각국 연구실에서는 물질을 새로 쌓는 대신 구성 원자 자체를 바꾸는 실험에 집중하고 있습니다. 그 대표적인 연구가 바로 원자 바꿔 반도체 기술입니다. 기초과학연구원(IBS) 연구팀은 2차원 반도체에서 원자만 바꿔 반도체와 절연막, 준금속을 한 장의 박막에 모두 구현하는 모듈형 트랜지스터 제작 기술을 개발했습니다. 이번 연구는 국제학술지 사이언스에 실리며 반도체 공정의 전환점이라는 평가를 받았습니다.
목차
원자 바꿔 반도체 기술이 주목받는 이유
2차원 반도체는 원자 몇 개 층의 두께에서도 전류를 제어할 수 있어 차세대 반도체 소재로 꼽힙니다. 하지만 실제 트랜지스터를 만들려면 전류가 흐르는 반도체와 이를 제어하는 절연막, 전류가 드나드는 금속 전극을 정교하게 결합해야 합니다. 문제는 2차원 반도체가 다른 물질과 화학적으로 잘 결합하지 않는 데 있습니다. 절연막을 균일하게 입히기 어렵고, 금속 전극을 직접 붙이면 접촉면이 손상되거나 저항이 커져 성능이 떨어집니다. 서로 다른 얇은 물질을 한 장씩 쌓는 방법은 공정이 복잡해 대량 생산에도 한계가 있었습니다.
IBS 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 물질을 쌓는 대신 원자를 바꾸는 방법을 선택했습니다. 연구에 사용한 소재는 텅스텐(W)과 셀레늄(Se)으로 이루어진 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)입니다. 중심 텅스텐 원자는 그대로 두고 주변 셀레늄 원자를 산소, 황, 텔루륨으로 바꿨습니다. 셀레늄 원자를 산소로 바꾸면 절연체인 산화텅스텐이 되고, 황으로 바꾸면 n형 반도체인 이황화텅스텐이 됩니다. 텔루륨으로 바꾸면 전기가 잘 통하는 준금속인 이텔루륨화텅스텐이 됩니다. 이렇게 하면 서로 다른 물질을 얇게 쌓을 때 발생하는 계면 손상이나 접촉 저항 문제를 피할 수 있습니다. 연구팀의 설명을 정리한 를 통해 좀 더 자세한 내용을 확인할 수 있습니다.
0.7나노미터 원자층 단위로 물질을 바꾸다
이번 기술의 핵심은 원자 선택적 치환을 정확한 위치와 층에서 제어했다는 점입니다. 연구팀은 박막 층과 층 사이 미세한 틈이 반응 원자가 다음 층으로 넘어가는 것을 막는 장벽으로 작동한다는 사실을 이용했습니다. 반응 온도와 기체 압력을 조절해 화학반응이 다른 층으로 확산하지 않도록 막으면서 0.7나노미터 두께의 원자층 단위로 물질을 변환하는 데 성공했습니다.
평면상으로도 반도체 공정용 마스크를 활용해 원하는 위치의 원자만 선택적으로 바꿨습니다. 하나의 박막 위에 p형 반도체, n형 반도체, 절연체, 준금속 전극 접합층을 모두 구현한 것입니다. 기존 방식과 비교하면 필요한 물질을 따로 만들고 정렬해 붙이는 과정이 줄어들어 공정 단순화 효과가 큽니다.
실제 트랜지스터로 확인한 성능
연구팀은 이 기술을 적용해 하나의 박막에 반도체와 절연막, 준금속 전극 접합층을 갖춘 모듈형 트랜지스터를 제작했습니다. 금속 전극에서 반도체로 전하가 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 전극을 직접 붙인 방식의 3분의 1 수준인 35.5밀리전자볼트까지 낮아졌습니다. 전류를 10배로 바꾸는 데 필요한 게이트 전압 변화량은 61.3밀리볼트로, 상온에서 기존 트랜지스터가 도달할 수 있는 이론적 최솟값 약 60밀리볼트에 가까웠습니다. 켜진 상태와 꺼진 상태의 전류 비율도 1000만 배 이상 차이가 나 안정적인 제어가 가능했습니다.
| 구분 | 기존 적층 방식 | 원자 바꿔 반도체 |
|---|---|---|
| 공정 | 여러 물질을 한 장씩 결합 | 원자 선택적 치환으로 한 번에 구현 |
| 계면 저항 | 전극 접합 시 손상 위험 | 준금속 접합층으로 에너지 장벽 감소 |
| 두께 제어 | 박막 적층 횟수에 의존 | 0.7나노미터 원자층 단위 제어 |
연구팀은 p형과 n형 트랜지스터를 수직으로 쌓은 상보형 인버터도 제작했습니다. 1V의 낮은 전압에서도 작동해 적층형 집적회로로 확장할 가능성을 보여줬습니다. 산화텅스텐 절연막의 등가산화막두께는 1나노미터로, 국제 반도체 로드맵의 초미세 소자 성능 목표를 달성했습니다. 이번 원자 바꿔 반도체 기술은 초저전력 반도체뿐 아니라 3차원 적층형 반도체 소자로도 확장될 수 있다는 점에서 의미가 큽니다.
반도체 공정의 새로운 방향
이 연구 결과를 살펴보며 가장 놀라웠던 점은 기존 공정처럼 물질을 정교하게 쌓아 올리는 대신, 이미 있는 물질의 원자를 바꿔 필요한 기능을 만드는 방식이 실제로 동작한다는 사실이었습니다. 서로 다른 재료를 붙일 때 발생하던 물리적 한계를 물질과학의 원리로 해결한 셈입니다. 반도체 산업이 갈수록 미세화의 벽에 부딪히는 상황에서 원자 바꿔 반도체 기술은 공정을 단순화하고 성능을 높일 수 있는 현실적인 대안으로 보입니다.
앞으로 이 기술이 다양한 2차원 반도체 소재로 확장되고 웨이퍼 크기의 대면적 공정으로 발전한다면, 초미세 반도체 양산에도 변화를 가져올 수 있습니다. 전력 소모를 줄이는 것은 배터리 수명을 늘리고 발열을 낮추는 일과 직결되기 때문에 스마트폰, 데이터센터, 자동차 반도체 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 넓습니다. 더 나아가 위아래로 소자를 쌓아 집적도를 높이는 적층형 반도체 기술과 결합하면 지금보다 훨씬 작고 효율적인 컴퓨팅 환경을 만들 수 있습니다. 원자 바꿔 반도체 기술이 앞으로 어떤 모습으로 발전할지 기대를 갖게 됩니다.
자주 묻는 질문
Q. 원자 바꿔 반도체 기술은 기존 반도체 공정과 무엇이 다른가요?
A. 기존에는 반도체, 절연막, 전극을 따로 만들어 붙였지만, 이 기술은 하나의 2차원 반도체 박막에서 원자만 골라 바꿔 필요한 물질을 만듭니다. 그래서 층 사이 결합 문제와 계면 손상을 줄일 수 있습니다.
Q. 2차원 반도체가 실리콘 반도체보다 왜 중요한가요?
A. 원자층 두께에서도 전류를 제어할 수 있어 실리콘 미세화 한계를 넘을 차세대 소재로 주목받습니다. 이번 기술은 2차원 반도체의 단점이었던 절연막 형성과 전극 접합 문제를 해결했습니다.
Q. 이번 기술이 언제 실제 제품에 적용될까요?
A. 아직 연구 단계지만 반도체 공정용 마스크를 활용해 원하는 위치를 선택적으로 바꾸는 방식을 구현했습니다. 향후 대면적 공정과 적층형 회로로 발전하면 상용화 가능성이 높아질 것으로 예상됩니다.
