세계 시선 쏠린 초미세 ‘반도체 소자’ 제조기술 개발 … 국내외 공동연구진 해냈다

UNIST·美미네소타주립대, ‘원자층증착법’으로 초미세 반도체 전극 패턴 제작

10나노미터 채널 반도체 소자 제조 성공 … 실리콘 반도체칩 대체 기술·응용

초미세 반도체 전극구조 제작 과정 및 2차원 소자 제작 연구그림. [이미지출처=유니스트]

[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 초미세 채널 반도체 소자를 제조할 수 있는 기술이 국내외 공동 연구에서 나와 세계가 주목하고 있다.

손톱만 한 반도체칩 안에는 최대 수십억 개의 미세소자(트랜지스터, 다이오드)가 들어있다. 이 미세소자는 여러 층의 재료 속에 그려진 패턴 형태로 존재한다.

패턴 제조를 위해서는 빔(빛)으로 모양을 그리는 공정이 필요하다. 최근 국제 공동 연구진이 고가의 빔 공정이 필요 없는 초미세 패턴 제조 기술을 개발하는 데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 이용훈) 물리학과 남궁선 교수와 美 미네소타주립대 연구진은 물질을 여러 번 얇게 입히는 공정인 ‘원자층증착법’만으로 반도체 패턴 제조가 가능한 기술을 개발했다.

빔 기반 기술보다 간편하고 저렴하며, 원자층을 입히는 횟수로 채널 폭(전극 간 간격)을 나노미터 단위로 바꿀 수 있다.

또 이 방식은 실리콘 대신 2차원 반도체 물질을 쓴 신개념 반도체 소자 제작에도 매우 유리한 것으로 알려졌다.

초미세 반도체 패턴구조를 이용한 광검출 소자 성능 연구그림. [이미지출처=유니스트]

연구팀은 이 기술을 이용해10nm(나노미터, 10-9m) 이하 채널을 갖는 초미세 ‘반도체 전극’과 2차원 반도체 소자(트랜지스터)를 제작했다.

금속(전극)-절연체-금속(전극) 순서로 기판 위에 증착해 나노 갭(gap) 패턴을 만들고, 이를 기판에서 뜯어내 뒤집으면 절연층 두께만큼 전극 간 거리가 분리된 전극 패턴이 완성된다.

전극 표면이 기판에서 바로 분리됐기 때문에 표면이 매우 매끈하다는 장점이 있다. 이 때문에 전극 위에 2차원 반도체 물질(이황화몰리브덴, 흑린 등)을 쌓아 소자를 만들기에 적합하게 된다.

또 연구팀은 이를 트랜지스터 기반 광검출기로도 응용했다. 초미세 트랜지스터 전극 사이의 강한 전기장이 빛에 의해 생성된 전하 입자들을 효과적으로 분리해 검출 성능을 향상시킬 수 있었다.

광검출기는 빛을 전류(전하입자)의 형태로 검출하는 소자로 초고속 광통신 등에 필수적이다.

유니스트 남궁선 교수.

제1저자인 남궁 교수는 “기존 반도체 공정 기술인 원자층증착법을 활용해 균일한 나노미터 단위의 전극 구조를 대량으로 생산할 수 있는 기술”이라며 “반도체 구조 소형화와 초소형 광통신 모듈, 광학반도체칩 개발에 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 나노·재료 분야의 권위 학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 2월 24일 자로 온라인 공개돼 정식출판을 앞두고 있다.

연구 수행은 한국연구재단 이공분야기초연구사업 및 UNIST 신임교원정착과제를 통해 진행됐다.

영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr