국내 연구진이 2차원 반도체 박막의 원자를 정밀하게 치환해 단일 평면상에 반도체와 절연체, 준금속 영역을 자유롭게 집적할 수 있는 원천 기술을 확보했다.
과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS)은 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 연구단장(포스텍 석학교수) 연구팀이 조현제 학생연구원, 민석영 박사후연구원과 함께 2차원 반도체 원자를 선택적으로 치환하는 0.7나노미터(nm)급 모듈형 트랜지스터 제작 기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구 성과는 한국시간 기준 2026년 10월 16일 오전 3시 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 정식 게재됐다.
연구팀은 p형 반도체 물질인 이셀레늄화텅스텐(WSe₂)을 기반으로 연구를 진행했다. 박막 중심에 위치한 텅스텐(W) 원자는 안정적으로 보존하면서 주변 셀레늄(Se) 원자만을 다른 원소로 정밀하게 치환하는 공정을 구축했다. 셀레늄 원자를 산소, 황, 텔루륨으로 각각 선택 치환함으로써 절연체인 산화텅스텐(WOx), n형 반도체인 이황화텅스텐(WS₂), 준금속인 이텔루륨화텅스텐(WTe₂)을 하나의 박막 위에 구현하는 데 성공했다.
원자 치환 공정 과정에서는 반응 온도와 기체 압력을 정밀 제어해 화학반응이 인접 원자층으로 확산되는 현상을 억제했다. 이를 통해 약 0.7나노미터 두께의 단일 원자층 단위 치환을 달성했다. 또한 기존 반도체 공정에 쓰이는 포토마스크를 접목해 평면 박막의 원하는 특정 구역만 국소적으로 변환하는 공간적 제어력도 확보했다.
이 공정으로 형성된 준금속 전극 접합층은 소자 내부의 접합 저항을 낮췄다. 금속 전극과 반도체 계면의 전하 이동 에너지 장벽은 35.5밀리전자볼트(meV) 수준으로 측정됐으며, 이는 기존에 금속 전극을 소자에 직접 접합하던 방식과 비교해 저항을 약 3분의 1 수준으로 줄인 수치다.
조문호 연구단장은 “금속 전극에서 반도체로 전하가 이동할 때 넘어야 하는 에너지 장벽이 35.5meV(밀리전자볼트)까지 낮아졌다”며 “이는 금속 전극을 직접 붙이는 경우와 비교할 때 약 3분의 1 수준으로, 전류가 더 쉽게 흐를 수 있음을 의미한다”고 설명했다.
제작된 트랜지스터는 전기적 스위칭 성능에서도 우수한 지표를 기록했다. 전류를 10배 증가시키는 데 필요한 게이트 전압 변화량은 61.3밀리볼트(mV)로 상온 환경의 이론적 최솟값인 약 60mV에 근접했다. 전원이 켜진 상태와 꺼진 상태 사이의 전류 비율은 1000만 배 이상을 나타냈다. 또한 절연 영역으로 변환된 산화텅스텐 박막의 등가산화막두께(EOT)는 1나노미터 미만을 충족했다.
조문호 단장은 “산화텅스텐 절연막은 전기적 성능을 두께로 환산한 등가산화막두께(EOT)가 1나노미터 미만으로, 국제 반도체 로드맵에서 제시한 초미세 소자의 핵심 성능 목표 수준을 달성했다”고 밝혔다.
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