연구재단 "필요한 곳만 도핑, 2차원 반도체 성능 260배↑"

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 원자 한 층 두께의 2차원 반도체를 손상시키지 않으면서 저항이 높은 특정 영역만 선택적으로 도핑해 저전압 구동성능을 최대 260배 높이는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 한국과학기술원(KAIST) 최성율·김용훈·강기범 교수 공동연구팀이 2㎚ 두께의 초박막 이중 보호층을 활용해 이황화몰리브덴(MoS₂) 2차원 반도체에 선택적으로 고농도 전자 도핑할 수 있는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

2차원 반도체는 원자 한 층 수준으로 얇으면서 전기적 제어력이 우수해 차세대 초미세·저전력 반도체 소재로 주목받고 있다. 하지만 실제 소자에서는 금속전극과 반도체 사이의 접촉저항과 전류가 흐르는 확장영역의 저항이 성능을 떨어뜨려 이를 낮추기 위한 도핑 기술이 필요하다.

하지만 기존 도핑 방식은 원자 수준으로 얇은 반도체의 결정구조를 손상시킬 수 있다는 한계가 있었다. 플라즈마 도핑은 원하는 영역을 선택적으로 처리할 수 있지만 고에너지 입자가 반도체 격자를 파괴할 수 있어 도핑 효율과 소재 손상 사이의 상충관계를 해결해야 했다.

연구팀은 MoS₂ 위에 2㎚ pV3D3와 2㎚ Al₂O₃로 구성된 초박막 이중 보호층을 형성한 뒤 암모니아(NH₃) 플라즈마를 처리하는 '장벽 보조 플라즈마 도핑법'으로 기존 문제를 해결했다. 이 보호층은 플라즈마의 강한 물리적 충격은 막으면서 도핑에 필요한 NHₓ 활성종은 통과시키는 화학적 필터 역할을 한다.

실험 결과, 보호층을 적용한 MoS₂는 결정성을 유지하면서도 매우 높은 전자 농도를 구현했다. 이에 따라 접촉저항은 약 32분의 1 수준으로 감소했다.

특히 연구팀은 전자가 지나가는 영역 가운데 저항이 높은 부분만 선택적으로 도핑할 수 있도록 했다. 접촉 영역을 도핑한 트랜지스터에서는 쇼트키 장벽이 226.7meV에서 73.7meV로 낮아지고 이동도와 온전류가 5.8배 증가했다.

게이트가 덮이지 않는 확장 영역을 선택적으로 도핑한 경우에는 저전압 조건에서 온전류가 최대 260배 증가하면서 기존의 증가형 스위칭 특성도 유지하는게 확인됐다.

연구팀은 이번 기술이 반도체의 결정성을 보존하면서 필요한 부분의 저항만 낮출 수 있다는 점에서 기존 플라즈마 도핑 기술과 차별화된다고 설명했다.
 
향후 저전력 2차원 CMOS와 모놀리식 3차원 반도체의 도핑·저항 제어 기술로 활용될 것으로 기대를 모으고 있는 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난달 1일 게재됐다.

최성율 교수는 "기존 플라즈마 도핑의 한계였던 도핑 효율과 재료 손상 간의 상충관계를 초박막 보호층을 이용해 해결했다"며 "실제 반도체 제조공정에 적용키 위해선 도핑 균일성 검증, 공정시간 단축, 극도로 미세화된 소자에서의 도핑 영역 제어 등에 대한 추가 검증이 필요한 상태"라고 말했다.


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