타이완 연구진이 2차원 반도체의 오랜 난제였던 계면(interface) 문제를 해결하고, 고성능 단층 이황화몰리브덴(MoS₂) 톱 게이트 트랜지스터 개발에 성공했다. 이번 연구 성과는 세계적인 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재됐다.

타이완 국가과학기술위원회(이하 국과회)는 국립양명교통대학교 전자물리학과 장원하오(張文豪) 교수 연구팀이 TSMC의 라두(Iuliana Radu) 박사 연구팀, 양명교통대학교 반도체공학과 리종언(李宗恩) 조교수 등과 공동으로 2차원 반도체의 계면 기술 한계를 돌파했다고 밝혔다.

실리콘 반도체가 물리적 한계에 가까워지면서, 원자 수준으로 얇은 2차원 반도체는 차세대 칩 소형화와 성능 향상을 이끌 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 실제 반도체 소자에 적용하려면 전류 제어를 위한 게이트 절연층 형성 과정에서 표면 구조가 손상되고 전자 이동이 저해되는 문제가 있었다.

연구팀은 새로운 소재를 찾는 대신 에피택시 계면 공학을 활용해 절연층 구조를 재설계했다. 초고진공 기술로 단층 MoS₂ 표면에 초박막 알루미늄층을 형성한 뒤 산화시켜 두께 약 0.42나노미터(nm)의 산화알루미늄 계면층을 제작했다.

이 원자 수준의 고품질 계면은 2차원 반도체와 절연층 사이의 결합을 개선하고 전자 이동 저항을 낮춰, 초박막 구조와 높은 트랜스컨덕턴스 성능을 동시에 확보하게 했다. 연구팀이 제작한 트랜지스터는 작은 크기에서도 세계 최고 수준의 전도도 변화 성능을 보였으며, 낮은 누설 전류와 우수한 작동 안정성도 갖춘 것으로 나타났다.

장 교수는 “향후 2차원 반도체 경쟁의 핵심은 소재 자체보다 계면 공학 기술에 있다”며 “이번 연구는 다양한 2차원 반도체에 적용 가능한 플랫폼 기술을 구축했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

그는 이어 “이 기술은 더욱 빠르고 저전력인 전자소자 개발과 기존 반도체 공정과의 결합을 가능하게 해, 포스트 실리콘 시대의 반도체 기술 발전에 중요한 기반이 될 것”이라고 강조했다. 이번 연구는 차세대 반도체 분야에서 타이완의 기술 혁신 역량과 국제 경쟁력을 보여주는 성과로 평가된다.