ACS Nano 부표지 논문 게재... 차세대 AI·우주·초저전력 반도체 실현의 핵심 기술 확보
플라즈마 정밀 제어로 양자 접촉 한계 근접한 초저저항 구현
서울시립대학교(총장 원용걸) 지능형반도체공학과 김태완 교수 연구팀이 한국항공대학교 이효창 교수 연구팀과 공동으로 수행한 연구 논문 “Plasma Knowledge-Based Polymorphic Engineering for Two-Dimensional Semiconductor Contacts”가 세계적 권위의 나노과학 학술지 ACS Nano (IF: 16.1 JCR상위 6%)에 Supplementary Cover(부표지 논문)로 게재됐다고 밝혔다.
연구팀은 2차원 전이금속 칼코게나이드(2D TMD) 반도체의 상용화를 가로막아온 고접촉저항 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 ‘플라즈마-지식기반 다형상(polymorphic) 공정’ 기술을 세계 최초로 체계화했다. 기존의 플라즈마 공정은 경험적 변수 조절에 의존해 왔으나, 연구팀은 플라즈마 이온 밀도와 자가 바이어스 전압 등 내부 물리 파라미터를 정량 계측하고, 이를 바탕으로 이온 에너지 플럭스(kinetic ion energy flux)를 정밀 제어하는 새로운 공정 프레임워크를 제시했다.
특히 연구팀은 반도체 상(2H) MoTe₂ 및 WS₂에 플라즈마 이온을 선택적으로 조사해, 금속성 1T′ 상을 국부적으로 유도함으로써 단일 물질 내에서 금속–반도체 다형상 접합(1T′/2H polymorphic interface)을 구현했다. 이를 통해 금속 전극과 반도체 사이의 쇼트키 장벽을 사실상 제거하는 초저저항 오믹 접촉을 형성하는 데 성공했다.
전기적 특성 측면에서, 연구팀은 다형상 접촉 구조에서 온상태 게이트 바이어스 조건에서 250.42 Ω·μm의 기록적인 접촉저항을 달성했으며, 다형상 엣지(edge) 접촉 구조에서는 122 Ω·μm까지 저감하는 성과를 거두었다. 이는 현재 보고된 MoTe₂ 기반 소자 중 최저 수준이다. 그 결과, 최대 온전류 68.15 μA/μm, 전자 이동도 1.61 × 10⁴ cm²/V·s, on/off 비 10⁷ 이상, 유효 쇼트키 장벽 높이 약 0.28–0.405 meV를 달성하며, 양자 접촉 한계(quantum limit)에 근접한 성능을 실험적으로 입증했다
또한 본 연구는 MoTe₂뿐 아니라 WS₂에서도 동일한 공정 전략이 유효함을 확인하여, 해당 기술이 특정 소재에 국한되지 않는 범용적 2D 반도체 접촉 공정 플랫폼임을 제시했다. 이는 차세대 초미세 CMOS, 3차원 적층 반도체, 지능형 AI 반도체 시스템으로의 확장 가능성을 높이는 핵심 기반 기술로 평가된다.
서울시립대 김태완 교수는 “이번 연구는 플라즈마 공정을 ‘블랙박스’가 아닌 정량적 과학 영역으로 전환한 것에 큰 의미가 있다”며, “2차원 반도체의 산업적 양산과 차세대 지능형 CMOS 구현을 위한 실질적이고 제조 친화적인 접촉 기술을 제시했다”고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단(NRF) 소재글로벌영커넥트, 산업통상부 및 국가과학기술연구회(NST) 융합연구 프로그램, BK21 사업 등의 지원을 받아 수행되었다.
이번 성과는 2차원 반도체 접촉 저항의 물리적 한계를 정면 돌파한 연구로서, 차세대 AI·우주·초저전력 반도체 기술의 실현을 앞당기는 중요한 이정표로 평가된다.