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[IT뉴스]초박막 반도체 전하주입 한계 넘었다…AI 반도체 활용 가능성은?

온카뱅크관리자

2026-09-16 09:47:25

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 보도기사 
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 초박막 반도체 '전기 길목' 뚫었다…저전력 AI 반도체 개발 탄력 SnSe2 하나로 n형·p형 모두 연결…2차원 반도체 집적 가능성 확대
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 <img alt="범용 SnSe2 반데르발스 주입기의 개념과 계면 분석 모식도" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/16/551724-22lyJQR/20260916094320377kmfz.jpg" data-org-width="600" dmcf-mid="KR6BGFYC7H" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/16/551724-22lyJQR/20260916094320377kmfz.jpg" width="658">
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 범용 SnSe2 반데르발스 주입기의 개념과 계면 분석 모식도
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 더 작고 전력 소모가 적은 차세대 AI 반도체 개발에 활용할 수 있는 새로운 전하주입 기술이 개발됐습니다. 하나의 소재만으로 서로 다른 특성을 가진 n형과 p형 초박막 반도체에 모두 전기를 안정적으로 공급할 수 있도록 한 것이 핵심입니다.
 ◆ 하나의 소재로 n형·p형 모두 대응
 KAIST는 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 연세대학교, 중국 베이징 계산과학연구센터, 한국과학기술연구원(KIST), 울산과학기술원(UNIST), 삼성전자 연구진과 공동으로 이셀레늄화주석(SnSe2)을 활용한 '범용 반데르발스 터널링 주입기'를 개발했다고 16일 밝혔습니다.
 이번 기술은 서로 다른 전하 특성을 가진 n형과 p형 반도체에 각각 별도의 전극을 적용해야 했던 기존 방식을 개선했습니다. 연구진은 SnSe2 하나만으로 두 종류의 반도체 모두에 전하를 효과적으로 주입할 수 있음을 확인했습니다.
 ◆ 차세대 반도체로 주목받는 '2차원 반도체'
 트랜지스터는 전기의 흐름을 켜고 끄는 역할을 하는 반도체의 기본 소자입니다. 전자를 이용하는 n형과 정공을 이용하는 p형으로 구분되며, 실제 디지털 반도체에서는 두 종류를 함께 사용하는 CMOS 구조가 널리 활용됩니다.
 최근에는 반도체 소자를 더 작게 만들고 소비전력을 낮추기 위한 대안으로 2차원 반도체가 주목받고 있습니다. 두께가 원자 몇 개 수준에 불과해 기존 반도체보다 얇고, 여러 층으로 적층해 집적도를 높이기에도 유리합니다.
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 이번 연구에 사용된 단층 MoS2와 WSe2의 두께는 약 0.7㎚ 수준입니다.
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 <img alt="단층 CMOS향 범용 반데르발스 터널링 주입기 개념도(AI 생성 이미지 재편집)" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/16/551724-22lyJQR/20260916094320533sppo.jpg" data-org-width="600" dmcf-mid="9DJ83qFY3G" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/16/551724-22lyJQR/20260916094320533sppo.jpg" width="658">
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 단층 CMOS향 범용 반데르발스 터널링 주입기 개념도(AI 생성 이미지 재편집)
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 ◆ 초박막일수록 어려워지는 전하주입
 
 2차원 반도체의 장점을 실제 소자로 구현하려면 외부 전극에서 반도체 내부로 전하를 원활하게 전달해야 합니다.
 
 하지만 기존 금속 전극을 초박막 반도체에 직접 접촉시키면 제작 과정에서 반도체 구조가 손상되거나, 접촉면에 전자와 정공의 이동을 방해하는 에너지 장벽이 형성될 수 있습니다.
 
 특히 n형과 p형은 주된 전하 운반자가 서로 다르기 때문에 효율적인 전하주입을 위해 각 유형에 맞는 별도의 전극 소재를 사용해야 한다는 한계가 있었습니다.
 
 ◆ SnSe2로 접촉 손상 줄이고 전하 이동 개선
 
 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 주석과 셀레늄으로 이뤄진 층상 반도체 SnSe2를 활용했습니다.
 
 SnSe2는 다른 반도체와 강한 화학결합을 형성하는 대신 반데르발스 힘을 통해 접촉합니다. 이에 따라 원자 수준으로 얇은 반도체의 구조를 상대적으로 온전하게 유지하면서 계면 반응을 줄일 수 있습니다.
 
 특히 SnSe2가 접촉하는 반도체 종류에 따라 전하가 이동하는 방식도 달라졌습니다.
 
 p형 WSe2에서는 전하가 높은 에너지 장벽을 직접 넘는 대신 밴드 간 터널링을 통해 이동했고, n형 MoS2에서는 전기장에 의해 장벽의 폭이 얇아지면서 전자의 터널링이 촉진됐습니다.
 
 즉, 하나의 SnSe2 소재가 서로 다른 두 반도체에서 각각 적합한 전하 이동 경로를 형성한 것입니다.
 
 ◆ p형 구동전류 1000배 이상 증가
 
 실제 소자 성능에서도 개선 효과가 확인됐습니다.
 
 SnSe2를 적용한 p형 WSe2 트랜지스터는 기존 니켈 전극을 사용한 소자와 비교해 최대 구동전류가 1000배 이상 증가했습니다. 트랜지스터가 켜진 상태에서 전달할 수 있는 전류량이 크게 늘어난 것입니다.
 
 n형 MoS2 트랜지스터에서는 온·오프 전류비가 10억 이상으로 나타났습니다. 전원이 켜졌을 때와 꺼졌을 때의 전류 차이가 크게 벌어져 스위칭 동작을 보다 뚜렷하게 제어할 수 있다는 의미입니다.
 
 ◆ 3차원 적층·저전력 AI 반도체 활용 기대
 
 이번 연구는 n형과 p형 초박막 반도체에 각각 다른 전극 소재를 사용하던 기존 접근에서 벗어나 하나의 물질로 두 종류의 반도체를 모두 제어할 수 있다는 점에서 의미가 있습니다.
 
 향후 대면적 제조 기술과 집적 공정이 결합되면 원자 수준의 2차원 반도체를 여러 층으로 적층하는 3차원 반도체 구조로도 확장할 수 있을 것으로 기대됩니다.
 
 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 배치하면서 전력 소모를 낮출 수 있어 차세대 AI 반도체와 초저전력 전자기기 개발에도 활용 가능성이 있다는 설명입니다.
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 (사진=KAIST) 
 조형준 취재 기자 | brotherjun@tjb.co.kr
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