KAIST 연구진이 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 개선돼 고주파수 대역 및 극저온에서의 활용 가능성이 기대되는 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 실리콘의 전자 이동도와 포화 속도*를 2배 이상 뛰어넘는 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe)** 기반 고이동도, 초고속 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.

*포화 속도(Saturation velocity): 반도체 물질 내에서 전자나 정공이 움직일 수 있는 최대 속도를 가리킴. 포화 속도는 포화 전류량 및 차단 주파수(Cutoff frequency) 등을 결정하며 반도체의 전기적 특성을 평가할 수 있는 핵심 지표 중 하나임.

**인듐 셀레나이드(InSe): 인듐과 셀레늄으로 이루어진 무기 화합물로 2차원 층간 반데르발스 결합을 이루고 있음

2차원 인듐 셀레나이드는 기존 실리콘 반도체 및 2차원 반도체보다 높은 전자 이동도와 높은 전류를 보여 차세대 반도체 물질로 주목받고 있다. 그러나 인듐 셀레나이드는 대기 중에서 산화에 취약하고 안정성이 떨어져 고성능 소자 개발이 어려웠다.

이가영 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 하부 절연막으로 고품질 2차원 육각형질화붕소(hBN)* 물질을, 상부 보호막으로는 얇은 인듐 금속을 활용하여 인듐 셀레나이드의 안정성과 성능을 개선했다.

*육각형질화붕소(hBN): 질소와 붕소가 육각형 평면 구조를 이루고 있으며 절연 특성을 가지고 있음.

또한 핵심 채널층인 인듐 셀레나이드를 오염시키지 않고 2차원 이종접합* 구조를 형성할 수 있도록 해 전자 이동도와 전자 포화 속도를 대폭 향상시켰다. 인듐 셀레나이드의 전자 포화 속도를 체계적으로 분석해 보고한 것은 이번이 처음으로, 연구팀은 전자 포화 속도 양상의 결정 기제를 규명했다.

*이종접합: 서로 다른 결정 반도체의 2개의 층 또는 영역 사이의 접점

이번 연구를 주도한 석용욱 박사과정은 “고성능 소자 개발을 통해 2차원 반도체 인듐 셀레나이드의 높은 전자 이동도와 포화 속도를 확인할 수 있었다”며 “실제 극저온 및 고주파수 구동이 필요한 응용 기기에의 적용 연구가 필요하다”라고 덧붙였다.

이가영 교수는 “이번에 개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능해 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역에서의 동작이 가능할 것으로 예측된다”며 “저온으로 갈수록 소자의 성능이 대폭 개선돼 양자 컴퓨터의 양자 제어 IC(Integrated circuit)와 같이 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다”라고 말했다.

KAIST 전기및전자공학부 석용욱 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 `ACS 나노(Nano)'에 2024년 3월 19일 정식 출판됐으며 동시에 저널 표지 논문으로 채택됐다. (논문명 : High-Field Electron Transport and High Saturation Velocity in Multilayer Indium Selenide Transistors)

한편 이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 기초연구사업 및 BK21, KAIST의 C2(Creative & Challenging) 프로젝트, LX 세미콘-KAIST 미래기술센터, 그리포 포스코청암재단의 지원을 받아 수행됐다.