울산과학기술원(UNIST) 반도체소재·부품대학원은 2차원 반도체 소재 상용화의 최대 난제로 꼽혀온 '접촉 저항' 문제 해결의 결정적 단서를 발견했다고 19일 밝혔다.

정창욱·권순용 교수 연구팀은 2차원 반도체 소재와 바일 금속 준금속이 접촉할 때 발생하는 에너지 장벽의 이론 예측값과 실제 실험값이 일치하지 않는 원인을 규명하고, 새로운 예측 공식을 제시했다.

반도체 업계는 수 nm 이하 초미세 공정 칩 제작을 위해 원자 수 겹 두께의 2차원 반도체 소재를 주목해왔으나, 기존 금속 전극 연결 시 전자가 넘어야 하는 에너지 장벽이 높아 접촉 저항이 심각해지는 문제가 있었다.

바일 준금속은 실험적으로 에너지 장벽을 낮추는 대안 소재로 알려졌지만, 기존 이론 계산으로는 오히려 장벽이 높게 예측돼 신뢰성이 낮았다.

연구 결과 이 같은 차이는 이황화몰리브덴 2차원 반도체 소재 내부의 '전도대 확장' 현상 때문인 것으로 밝혀졌다. 전극과 반도체 소재가 특정 각도로 맞닿으면 반도체 내부 전자 통로가 넓어지며 에너지 장벽을 낮추는 역할을 하는 것이다.

연구팀은 전도대 확장 효과와 함께 진공 준위 이동 효과를 고려한 새로운 공식을 제시했다. 진공 준위 이동 효과는 기존에 무시해도 된다고 여겨졌으나, 얇은 2차원 반도체에서는 작은 변화가 장벽 전체를 바꿀 수 있는 것으로 나타났다.

정창욱 교수는 "기존 이론이 설명하지 못하던 2차원 반도체와 준금속 계면의 에너지 장벽 형성 원리를 근본적으로 규명한 것"이라며 "더 정확한 이론 계산식으로 최적의 소재 조합과 구조를 찾아 차세대 반도체 설계의 시행착오를 줄이고 개발 속도를 크게 높일 수 있을 것"이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)에 지난 4일 출판됐다.