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전자전기공학부 박상연 교수 연구팀, 차세대 원자층 2D 트랜지스터 아키텍처 개발 연구 Advanced Functional Materials 게재
‘수송 병목 현상 없는’ 2D 트랜지스터 구조 제안 및 웨이퍼 스케일 데모
기존 2D FET의 성능 한계를 구조적으로 극복한 세계적 수준의 전하 수송 특성 달성
(SS ≈ 60 mV/dec · 이동도 200 cm²/V·s 이상)
본교 전자전기공학부 박상연 교수 연구팀(ANSDL)과 성균관대학교 물리학과 차승남 교수 연구팀이 공동으로 수행한 연구 논문 “Asymmetric Contact Engineering for Bottleneck-Free Transport in 2D MoS2 Field-Effect Transistor”이 나노과학·전자소자 분야의 세계적 권위 학술지인 Advanced Functional Materials에 게재되었다. Advanced Functional Materials 는 Wiley 에서 발간하는 나노 소재 및 소자 분야의 대표적인 저널로, 2024년 기준 영향력 지수(Impact Factor)는 19.0, 저널 인용 순위 (Journal Citation Rank) 상위 4.5% 에 달하며, 응용물리, 나노소재, 전자소자, 에너지, 바이오 응용 등 다양한 분야의 우수한 연구 성과를 소개하고 있다.
(위쪽) 수송 병목 현상 없는 Bottleneck-free Asymmetric Transistor Architecture (BATA) 구조,
(아래쪽) 구조에 따른 성능 기대 효과 및 실제 제작된 구조의 전기적 특성
기존 2차원(2D) 반도체 트랜지스터는 원자층 두께로 인해 탁월한 게이트 제어 능력을 확보했지만, 이러한 극단적 박막성은 동시에 전하 수송 경로를 구조적으로 제한하는 병목 현상을 내포해 왔다. 특히 소스와 드레인을 대칭적으로 배치한 기존 구조에서는 게이트 전기장과 드레인 전기장이 드레인 영역에서 중첩되며, 캐리어 산란과 속도 포화가 증폭되어 고이동도와 이상적 스위칭 특성의 동시 달성에 근본적인 제약으로 작용했다.
박상연 교수 연구팀은 이러한 구조적 한계를 해결하기 위해 Bottleneck-free Asymmetric Transistor Architecture(BATA)를 제안했다. BATA 구조는 소스와 드레인의 역할 차이에 주목해 비대칭적으로 설계됐으며, 소스 영역에는 캐리어 주입 효율을 유지하는 Embedded channel, 드레인 영역에는 캐리어 축적과 산란을 억제하는 Side channel 구조를 적용했다. 이를 통해 게이트 전기장이 캐리어 이동 경로에 미치는 영향을 구조적으로 제어하고, 드레인에서 발생하던 수송 병목 현상을 효과적으로 제거했다.
그 결과, 이차원 MoS₂ 소재 기반 BATA 트랜지스터는 약 60 mV/dec의 이상적인 Subthreshold Swing과 200 cm² V⁻¹ s⁻¹을 초과하는 높은 이동도를 동시에 달성했다. 또한 단일 소자 내에서 구조만 바꿔 비교한 실험과 100개 소자 어레이 구현을 통해, 성능 향상이 소재 특성이 아닌 순수한 구조적 최적화에 기인함을 입증했다. 이번 연구는 2D 반도체 트랜지스터의 설계 패러다임을 구조 중심으로 전환할 수 있는 중요한 단서를 제시한다.
웨이퍼 단위 (2인치) 어레이 공정 및 BATA 구조의 안정성 및 지속성
이번 연구는 홍익대학교 박상연 교수 연구팀을 중심으로 성균관대학교, 숙명여자대학교 연구진이 협력하여 수행되었으며, 한국연구재단 글로벌 기초연구실지원사업(BRL), 이공분야 기초연구사업(일반연구자-기본) 및 이공분야 개인기초연구사업(우수연구-개척연구)의 지원을 받아 진행되었다.
전자전기공학부 박상연 교수 연구실은 ▲고성능 2D 반도체 소자 개발, ▲대면적 2D 소재 합성과 3D Integration, ▲차세대 뉴로모픽 디바이스 구현 등을 목표로 연구를 지속하고 있다
(왼쪽) 표진혁 석박사통합과정생 (제1저자), (오른쪽) 박상연 홍익대 전자전기공학부 교수 (교신저자)
- 논문명: Asymmetric Contact Engineering for Bottleneck-Free Transport in 2D MoS2 Field-Effect Transistor
- 저널: Advanced Functional Materials
