전기및전자공학부 이가영 교수팀, 초고속 반도체 소자 개발
차세대 반도체 물질 ‘InSe’ 성능 개선...온도 낮을수록 강력
6G 주파수대역 활용 가능…극저온 환경서 활용 가능성 기대
▲카이스트(KAIST) 이가영 교수팀의 연구를 표지논문으로 실은 'ACS 나노' 저널 커버 이미지
카이스트(KAIST, 총장 이광형) 연구진이 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 개선돼 고주파수 대역 및 극저온에서의 활용이 기대되는 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공했다.
21일 카이스트에 따르면, 전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀은 실리콘의 전자 이동도와 포화 속도(반도체 물질 내에서 전자·정공의 최대속도)를 2배 이상 높인 2차원 나노 반도체 '인듐셀레나이드(InSe) 기반 고이동도·초고속 소자'를 개발했다.
InSe는 인듐과 셀레늄으로 이뤄진 2차원 무기화합물로, 기존 실리콘 반도체 및 2차원 반도체보다 높은 전자 이동도와 높은 전류를 보여 차세대 반도체 물질로 주목받고 있다. 그러나 InSe는 대기 중에서 산화에 취약하고 안정성이 떨어져 고성능 소자 개발이 어려웠다.
이가영 교수팀은 이를 해결하기 위해 하부 절연막으로 고품질 2차원 육각형질화붕소(hBN) 물질을, 상부 보호막으로 얇은 인듐 금속을 활용해 InSe의 안정성과 성능을 개선했다.
인듐셀레나이드의 전자 포화 속도를 체계적으로 분석해 보고한 것은 이번이 처음으로, 이 교수팀은 전자 포화 속도 양상의 결정 기제를 규명했다.
이번 연구를 주도한 석용욱 KAIST 전기및전자공학부 박사과정은 “고성능 소자 개발을 통해 2차원 반도체 인듐셀레나이드의 높은 전자 이동도와 포화 속도를 확인할 수 있었다"며 “실제 극저온 및 고주파수 구동이 필요한 응용 기기에의 적용 연구가 필요하다"고 덧붙였다.
이가영 교수는 “이번에 개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능해 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역에서의 동작이 가능할 것으로 예측된다"며 “저온으로 갈수록 소자의 성능이 대폭 개선돼 양자 컴퓨터의 양자 제어 IC와 같이 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다"고 말했다.
석용욱 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 'ACS 나노(Nano)'에 지난 19일 정식 출판됐으며 저널 표지 논문으로도 채택됐다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 기초연구사업 및 BK21, KAIST의 C2 프로젝트, LX 세미콘-KAIST 미래기술센터, 포스코청암재단의 지원을 받아 수행됐다.
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