서울시립대학교(총장 원용걸) 김태완 교수(첨단융합학부 지능형반도체전공) 연구팀이 한국항공대학교 이효창 교수 연구팀과 공동으로 수행한 연구가 나노과학 분야 국제 학술지 ‘ACS Nano’ 부표지 논문으로 게재됐다.

8일 서울시립대에 따르면 연구팀은 2차원 전이금속 칼코게나이드(TMD) 반도체 상용화를 가로막아 온 고접촉저항 문제를 해결하기 위해 ‘플라즈마 지식 기반 다형상 공정’ 기술을 세계 최초로 체계화했다.

기존 플라즈마 공정은 경험적 변수 조절에 의존하는 경우가 많았다. 연구팀은 플라즈마 이온 밀도와 자가 바이어스 전압 등 내부 물리 파라미터를 정량적으로 계측하고, 이를 바탕으로 이온 에너지 플럭스를 정밀 제어하는 공정 프레임워크를 제시했다.

연구팀은 반도체 상인 2H 구조의 MoTe₂와 WS₂에 플라즈마 이온을 선택적으로 조사해 금속성 1T′ 상을 국부적으로 유도했다. 이를 통해 단일 물질 내에서 금속과 반도체가 결합된 다형상 접합 구조를 구현하고, 금속 전극과 반도체 사이의 쇼트키 장벽을 사실상 제거하는 초저저항 오믹 접촉 형성에 성공했다.

전기적 특성 분석 결과 다형상 접촉 구조에서는 250.42Ω·μm의 접촉저항을, 다형상 엣지 접촉 구조에서는 122Ω·μm 수준까지 저감하는 성과를 확인했다. 이는 현재 보고된 MoTe₂ 기반 소자 가운데 가장 낮은 수준이다.

또 최대 온전류 68.15μA/μm, 전자 이동도 1.61×10⁴cm²/V·s, 온오프 비 10⁷ 이상을 기록했으며 유효 쇼트키 장벽 높이는 약 0.28~0.405meV 수준으로 나타났다. 연구팀은 이를 통해 양자 접촉 한계에 근접한 성능을 실험적으로 입증했다고 설명했다.

연구 결과는 MoTe₂뿐 아니라 WS₂에서도 동일한 공정 전략이 유효한 것으로 확인돼 특정 소재에 국한되지 않는 범용적 2차원 반도체 접촉 공정 플랫폼 가능성을 제시했다. 연구팀은 이 기술이 차세대 초미세 CMOS와 3차원 적층 반도체, 지능형 인공지능 반도체 시스템 등으로 확장될 수 있을 것으로 보고 있다.

김태완 교수는 “이번 연구는 플라즈마 공정을 경험 중심 기술이 아닌 정량적 과학 영역으로 전환한 데 의미가 있다”며 “2차원 반도체 산업화와 차세대 지능형 CMOS 구현을 위한 제조 친화적 접촉 기술을 제시했다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 소재글로벌영커넥트 사업, 산업통상자원부와 국가과학기술연구회 융합연구 프로그램, BK21 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.