빛으로 반도체 성능 63배 향상⋯ DGIST, 차세대 2D 반도체 제어 기술 개발

(왼쪽부터) DGIST 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수, 김준일 석박사통합과정생./ DGIST 제공

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수 연구팀이 빛만으로 2차원(2D) 반도체의 전기적 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 광 도핑(optical doping) 기술을 개발했다. 이번 연구는 차세대 초소형·고집적 반도체 구현의 핵심 기술로 평가되며, 향후 2D 반도체 기반 CMOS와 3차원 반도체 소자 개발에 활용될 전망이다.

2D 반도체는 원자 몇 층 두께에서도 뛰어난 전기적 특성을 나타내 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 그러나 소재가 매우 얇아 결함이나 표면 상태의 영향을 크게 받아 원하는 특성을 안정적으로 구현하기 어렵다는 한계가 있었다.

기존 결함 제어 방식은 고온 열처리나 플라즈마 공정, 전자빔 조사 등에 의존해 왔다. 하지만 이 과정에서 소재가 손상되거나 불필요한 영역까지 결함이 발생하는 문제가 있었다. 이에 따라 저온 환경에서 원하는 위치에만 결함을 형성할 수 있는 고정밀 공정 기술 개발 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 ‘LAMP(Laser-Assisted Microlens Array Processing)’ 기술을 새롭게 개발했다. 이 기술은 자기조립된 투명 폴리스티렌 마이크로 입자를 미세 렌즈처럼 활용해 532nm 연속파 레이저를 회절 한계 이하 수준으로 정밀 집속시키는 방식이다.

이를 통해 연구팀은 단층 이황화몰리브덴(MoS₂) 내부에 황 공공(sulfur vacancy)을 선택적으로 형성하는 데 성공했다. 황 공공은 MoS₂ 반도체의 전기적 특성을 좌우하는 핵심 결함으로, 연구팀은 화학적 불순물 주입 없이도 안정적인 n형 도핑 구현에 성공했다.

특히 이번 기술은 기존 직접 레이저 조사 방식보다 낮은 에너지 조건에서도 정밀한 결함 제어가 가능해 차세대 반도체 공정 기술로서 의미가 크다는 평가다.

실험 결과도 주목된다. LAMP 공정을 적용한 단층 MoS₂ 트랜지스터는 공정 전보다 on-current가 최대 63배 증가했으며, 전계효과 이동도는 51배, 전하 밀도는 37배 향상된 것으로 나타났다. 또한 도핑 효과가 장기간 유지되는 비휘발성 특성까지 확인돼 실제 반도체 소자 공정 적용 가능성도 입증했다.

권혁준 교수는 “이번 연구는 단순한 성능 향상을 넘어 빛만으로 원자 수준의 결함을 원하는 위치에 정밀하게 형성할 수 있는 새로운 결함 제어 플랫폼을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “향후 차세대 2D 반도체 기반 CMOS는 물론 미래 반도체 공정의 핵심 국소 도핑 기술로 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 김준일 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 나노 분야 국제학술지 「Small」(JCR 상위 7%)에 지난 4월 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 개인기초연구사업(중견)과 교육부 대학중점연구소지원사업 지원으로 수행됐다.

/김락현기자 [e-mail]