반도체 전극도 '맞춤 설계' 시대…KAIST, 새 물질 개발

카이스트(KAIST) 공동 연구팀이 전자 특성을 조절할 수 있는 새로운 소재로 반도체 게이트 전극을 개발했다.

카이스트는 화학과 박사라 교수 연구팀이 부경대, 포항공대(POSTECH), 연세대와 함께 전도성 금속-유기 골격체(MOF)를 박막 형태로 가공해 반도체 소자 게이트 전극으로 활용하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 지난 9월 15일 게재됐다.

게이트 전극은 반도체 내부 전류 흐름을 제어하는 신호를 전달하는 역할을 한다. 기존에는 주로 금속으로 만들어졌는데, 금속마다 고유한 전자 특성이 정해져 있어 반도체 특성에 맞춰 전극을 바꾸기 어려웠다.

연구팀이 개발한 전도성 금속-유기 골격체는 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 연결된 신소재다. 금속과 유기 분자 조합을 바꾸면 일함수 등 전자 특성을 조절할 수 있다. 일함수는 반도체가 켜지는 전압에 영향을 미치므로, 이를 조절하면 반도체에 최적화된 전극 설계가 가능하다.

연구팀은 화학 기상 증착(CVD) 방식으로 MOF를 얇고 균일한 박막으로 만들었다. 이후 포토리소그래피와 2단계 식각 공정을 통해 미세한 패턴을 형성하고 불필요한 부분을 제거해 전극을 완성했다. 이 과정에서 소재 손상을 최소화해 전기 전도성을 유지했다.

개발된 전극은 몰리브덴 이황화물(MoS₂), 몰리브덴 다이텔루라이드(MoTe₂), 인듐·갈륨·아연 산화물(IGZO) 등 세 종류의 반도체에서 모두 전류를 켜고 끄는 스위치 역할을 성공적으로 수행했다. 특히 MoS₂ 소자에서는 기존 백금(Pt) 전극과 유사한 성능을 보이는 것을 확인했다.

연구팀은 단일 기판 위에 23개의 IGZO 트랜지스터를 제작해 모두 정상 작동하는 것을 확인하며 대량 생산 가능성을 입증했다. 또한 400회 연속 작동과 1년간의 대기 보관 후에도 안정적인 성능을 유지했다.

박사라 교수는 "신소재가 단순히 전기가 잘 통하는 것을 넘어 실제 반도체 소자를 켜고 끄는 전극으로 작동함을 확인했다"며 "기존 금속 중 선택하는 방식에서 벗어나 반도체마다 요구되는 특성의 전극을 설계하는 기술로 발전시킬 것"이라고 말했다.