조문호 연구팀, 원자 바꿔 한 박막에 트랜지스터 구성요소 구현

트랜지스터는 반도체를 따라 흐르는 전류를 절연막으로 제어하고, 전극으로 전류를 드나들게 하는 스위치다. 과학기술정보통신부는 기초과학연구원 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장 연구팀이 원자를 선택적으로 바꿔 한 박막 안에 반도체·절연체·준금속 영역을 만드는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이는 서로 다른 소재를 붙이거나 옮겨 쌓을 때의 어려움에 대응한 방식이다. 연구 대상인 얇은 반도체는 표면의 화학적 결합이 약해 절연막을 고르게 입히기 어렵고, 금속 전극을 직접 붙이면 접촉면 손상이나 저항 증가가 생길 수 있다. 얇은 소재를 차례로 옮겨 쌓는 방식도 공정이 복잡해 넓은 면적에 균일하게 적용하기 어려웠다. 연구팀은 필요한 영역을 박막 내부에서 변환하는 방법을 택했다.

핵심은 이셀레늄화텅스텐의 텅스텐 원자층을 남겨두고 주변 셀레늄 원자를 다른 원자로 바꿔 전기적 성질을 달리하는 것이다. 층 사이의 반데르발스 틈이 원자의 확산을 막는 장벽으로 작용해 변환 깊이를 조절할 수 있었다. 산화에서는 반응 온도를, 황화에서는 반응 기체의 분압을 조절했으며, 공정 단계마다 전자현미경과 분광 분석으로 아래층의 결정성 보존 여부를 확인했다.

다만 접합 구조의 의미는 전기적 특성과 함께 읽어야 한다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 설명한 별도의 과거 계면 연구에는 NIST와 퍼듀대 과학자들이 참여했다. 듀크대와 노스캐롤라이나주립대 과학자들도 함께했다. 이 설명에 따르면 금속 전극과 반도체가 물리적으로 밀착하면 전기적 접촉도 좋아지지만, 사이에 틈이 생기면 전류 흐름이 줄 수 있다. 이는 이번 원자 치환 소자를 독립 검증한 결과가 아니며, 이번 소자의 접촉면에 틈이 전혀 없거나 기존 계면 문제가 모두 해결됐다는 근거로 쓸 수 없다.

다른 소자 발표를 읽을 때도 먼저 소재를 쌓거나 변환한 방식과 비교 재료를 확인하고, 다음으로 현미경에서 실제 관찰한 구조를 구분한 뒤 그 구조와 연결해 측정한 전기적 특성이 있는지 살피는 순서가 유효하다. 이번 연구의 투과전자현미경 분석은 변환된 이황화텅스텐과 이텔루륨화텅스텐 층이 아래 이셀레늄화텅스텐의 결정 방향을 따라 정렬됐음을 확인한 근거다. 이 구조 관찰 자체를 전기적 성능의 우위로 바꿔 읽어서는 안 된다.

별도 NIST 연구는 구조와 성능을 연결해 살핀 대조 사례다. 고해상도 주사 투과전자현미경으로 보니 산화알루미늄·이황화몰리브덴 계면은 질화붕소·이황화몰리브덴 계면보다 변형이 컸고, 니켈 전극과 이황화몰리브덴 사이에는 빈 공간인 공동이 관찰됐다. 이어 해당 재료로 만든 트랜지스터의 전기적 특성을 시험한 결과, 채널의 비평탄성이 오히려 성능을 개선한 사례도 확인됐다. 접촉면의 틈이 전류를 줄일 수 있다는 설명과 함께 봐야 하며, 더 평평하다는 이유만으로 성능이 언제나 좋다고 판정할 수는 없다.

이번 성과는 트랜지스터의 주요 구성요소를 한 박막에 구현한 단계다. 웨이퍼 크기의 대면적 공정으로 발전시키는 것은 후속 계획으로, 이번 발표만으로 대량생산 준비나 상용화가 완료됐다고 판단할 수 없다. 연구팀은 적용 소재를 넓히고 적층형 집적회로 등 초미세·저전력 반도체 기술로의 응용 가능성을 탐색할 계획이다.