이가영 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀의 연구 결과가 게재된 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노’ 3월호 표지

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

KAIST는 이가영(사진) 전기및전자공학부 교수 연구팀이 실리콘의 전자 이동도와 포화 속도를 2배 이상 뛰어넘는 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe) 기반 고이동도·초고속 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.

포화 속도란 반도체 물질 내에서 전자나 정공이 움직일 수 있는 최대 속도를 말한다. 2차원 인듐 셀레나이드는 기존 실리콘 반도체와 2차원 반도체에 비해 높은 전자 이동도와 높은 전류를 보여 차세대 반도체 물질로 주목받고 있다. 그러나 인듐 셀레나이드는 대기 중 산화에 취약하고 안정성이 떨어져 고성능 소자 개발이 어려웠다.

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

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

이 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 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다”고 말했다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노’ 3월호 표지 논문으로 채택됐다.

구본혁 기자