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필요한 곳만 쏙쏙 도핑… 손상 없이 성능 ‘260배’ 끌어올렸다​
조회수 : 3597 등록일 : 2026-09-21 작성자 : 홍보실

최성율 교수

< 최성율 교수 >

2차원 반도체 원자층을 완벽히 보호하면서도 저전압 구동 성능을 최대 260배까지 끌어올린 혁신적인 도핑 공정 기술이 개발됐다.

우리 대학 최성율·김용훈·강기범 교수 공동연구팀이 초박막 이중 보호층을 활용해 이황화몰리브덴(MoS2) 2차원 반도체*를 보호하면서 필요한 영역에 선택적으로 고농도 전자 도핑할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

* 이황화몰리브덴(MoS2) 2차원 반도체 : 몰리브덴(Mo) 원자 하나와 황(S) 원자 두 개가 결합하여 층상 구조를 이루는 대표적인 2차원 전이금속 반도체 소재.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술 개발사업과 중견연구 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 8월 1일 게재됐다. 

원자 한 층 수준으로 극도로 얇은 2차원 반도체는 소자를 미세화하더라도 우수한 전기적 제어력을 유지할 수 있어, 기존 실리콘을 대체할 차세대 반도체의 핵심 소재로 크게 주목받고 있다. 

하지만 저항을 낮추는 필수 도핑 과정에서 기존 방식을 적용하면, 높은 에너지 입자에 의해 원자층 결정 구조가 파괴되는 치명적인 한계가 있었다.

2차원 반도체의 상용화를 위해선 정교한 원자 구조를 보존하면서도 원하는 영역만 선택적으로 도핑하는 혁신적 공정 기술의 개발이 필요했다. 

연구팀은 두께가 2nm에 불과한 두 종류의 초박막을 쌓은 이중 보호층을 개발해 이 문제를 해결했다.

초박막 보호층을 이용한 손상 없는 2차원 반도체 플라즈마 도핑

< 초박막 보호층을 이용한 손상 없는 2차원 반도체 플라즈마 도핑 >

이 보호층은 플라즈마의 강한 물리적 충격은 튕겨내 방어하면서도, 도핑에 필요한 반응 물질(NHx 활성종*)만 쏙 통과시키는 ‘화학 필터’ 역할을 한다. 그 결과 반도체의 결정 구조는 깨끗하게 보존하면서도 전자 농도를 크게 높여 접촉저항을 32분의 1 수준으로 대폭 낮출 수 있었다. 

 * NHx 활성종(Reactive NHx species) : 질소(N) 하나에 수소(H)가 x개(1개 또는 2개 등) 결합하여 화학 반응성이 매우 높아진 상태의 분자 조각(라디칼 또는 이온)을 의미한다. 

특히 전자가 지나가는 길목 중 저항이 문제가 되는 특정 위치만 핀셋으로 집어내듯 선택 도핑하는 ‘영역 선택적 저항 제어’를 구현, 아주 낮은 전압에서도 전류 흐름을 최대 260배나 끌어올리는 데 성공했다.

이번 기술은 2차원 반도체의 결정성을 보존하면서 필요한 영역의 저항만 선택적으로 낮출 수 있다는 점에서 차별화되며, 향후 초미세 저전력 논리소자, 모놀리식 3차원 반도체* 및 2차원 CMOS**에 활용될 것으로 기대된다.

* 모놀리식 3차원 반도체: 여러 개의 반도체 칩을 만들어 위로 쌓아 올리는 기존 방식과 달리, 하나의 실리콘 웨이퍼 위에서 층(Layer)을 직접 차례대로 쌓아가며 소자를 연속으로 제조하는 3차원 집적 기술.

** 2차원 CMOS(2D Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): 원자 한 층 두께의 2차원 나노소재로 구현한 차세대 반도체 회로 기술

최성율 교수는 “실제 반도체 제조공정에 적용하기 위해서는 도핑 균일성 검증, 공정시간 단축, 극도로 미세화된 소자에서의 도핑 영역 제어 등에 대한 추가적인 검증이 필요하다”고 설명했다.

영역 선택적 플라즈마 도핑을 통한 2차원 트랜지스터의 전기적 성능 향상

< 영역 선택적 플라즈마 도핑을 통한 2차원 트랜지스터의 전기적 성능 향상 >

 

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