반도체시스템전공 이효창 교수 연구팀이 서울시립대학교 김태완 교수 연구팀과 공동으로 수행한 연구 논문이 세계적 권위의 나노과학 분야 학술지 ACS Nano(IF 16.1, JCR 기준 상위 6%)에 게재되며 부표지(Supplementary Cover) 논문으로 선정됐다.

  이번 연구는 ‘Plasma Knowledge-Based Polymorphic Engineering for Two-Dimensional Semiconductor Contacts’라는 제목으로 발표됐으며, 차세대 반도체 소재로 주목받는 2차원 전이금속 칼코게나이드(2D TMD) 소자에서 성능 저하의 주요 원인으로 지적돼 온 높은 접촉저항 문제를 공정 기술 측면에서 해결할 수 있는 방법을 제시했다.

  최근 반도체 소자의 초미세화가 진행되면서 기존 실리콘 기반 트랜지스터는 단채널 효과, 열 방출 증가, 전자 이동도 감소 등 여러 기술적 한계에 직면하고 있다. 이를 극복할 대안으로 원자 두께 수준의 2차원 반도체 소재가 주목받고 있지만, 금속 전극과 반도체 사이에서 발생하는 접촉저항 문제는 상용화를 가로막는 중요한 기술적 과제로 남아 있었다.

  연구팀은 기존 플라즈마 공정이 경험적 조건 조정에 의존해 왔던 한계를 넘어, 플라즈마 이온 밀도와 자기 바이어스 전압 등 내부 물리량을 정량적으로 계측하고 이를 공정 제어에 활용하는 방식을 제안했다. 이를 바탕으로 이온 에너지 플럭스(ion energy flux, 플라즈마 이온이 물질 표면에 전달하는 에너지 흐름)를 정밀하게 제어하는 ‘플라즈마-지식기반 다형상(polymorphic) 공정’ 프레임워크를 세계 최초로 체계화했다.

  이 기술을 통해 연구팀은 2차원 전이금속 칼코게나이드 반도체 소재인 MoTe₂(몰리브덴 텔루라이드)와 WS₂(텅스텐 디설파이드)에서 반도체 상(2H) 내부에 금속 상(1T′)을 선택적으로 형성하는 1T′/2H 다형상( polymorphic) 접합 계면을 형성했다. 이는 하나의 재료 내부에서 금속과 반도체 특성이 공존하도록 만드는 구조로, 금속 전극과 반도체 사이에서 형성되는 쇼트키 장벽(Schottky barrier, 전류 흐름을 방해하는 에너지 장벽)을 크게 낮춰 저저항 오믹 접촉을 구현할 수 있다.

  또한 이 공정 전략이 2차원 전이금속 칼코게나이드 반도체 소재인 MoTe₂(몰리브덴 텔루라이드)와 WS₂(텅스텐 디설파이드)에도 동일하게 적용 가능함을 확인해, 특정 소재에 국한되지 않는 범용 2차원 반도체 접촉 공정 플랫폼으로 확장될 가능성을 보여줬다.

  이효창 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체 접촉저항의 난제를 공정-물리량 기반 제어라는 방식으로 해결한 사례로서, AI·우주·초저전력 반도체와 같은 차세대 응용 기술의 구현 시점을 앞당기는 데 의미가 있다”고 말했다.

  논문 원문은 다음 링크에서 확인할 수 있다. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5c17260