[이뉴스투데이 백연식 기자] DGIST가 마이크로렌즈 기반 초고해상도 광 도핑 기술을 개발했다. DGIST는 권혁준 전기전자컴퓨터공학과 교수 연구팀이 빛을 이용해 2차원(2D) 반도체의 전기적 성질을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 광 도핑(optical doping) 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 이번 연구는 차세대 초소형·고집적 반도체 구현에 필요한 핵심 공정 D 향후 2D 반도체 기반 CMOS 및 3차원 반도체 소자 개발에 기여할 전망이다.
2D 반도체는 원자 몇 층 수준의 매우 얇은 두께에서도 우수한 전기적 특성을 보여 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 하지만 두께가 얇은 만큼 결함이나 표면 상태의 영향을 크게 받아 원하는 전기적 특성을 안정적으로 구현하기 어렵다는 한계가 있었다.
특히 반도체의 성질을 조절하는 기존 결함 제어 기술은 고온 열처리, 플라즈마 공정, 전자빔 조사 등에 의존하는 경우가 많았다. 이 과정에서 소재가 손상되거나, 원하지 않는 영역까지 결함이 생기는 문제가 발생했다. 이에 따라 낮은 온도에서 원하는 위치에만 결함을 형성할 수 있는 고정밀 공정 기술의 필요성이 꾸준히 제기돼 왔다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘LAMP(Laser-Assisted Microlens Array Processing)’ 기술을 개발했다. 이 기술은 자기조립된(Self-assembled) 투명한 폴리스티렌 마이크로 입자를 작은 렌즈처럼 활용해, 532nm 연속파 레이저를 빛의 회절 한계 이하(sub-diffraction limit) 수준으로 미세하게 집속시키는 방식이다. 연구팀은 이를 통해 단층 이황화몰리브덴(MoS₂) 내부에 황 공공(sulfur vacancy)을 선택적으로 형성하는 데 성공했다.
황 공공은 MoS₂ 반도체의 전기적 특성을 바꾸는 중요한 결함이다. 연구팀은 빛을 이용해 이 결함을 원하는 위치에만 정밀하게 만들었다. 화학적 불순물을 넣지 않고도 안정적인 n형 도핑을 구현했다. 이는 기존의 직접 레이저 조사 방식보다 낮은 에너지 조건에서 정밀한 결함 제어가 가능하다는 점에서 의미가 크다.
실험 결과, LAMP 공정을 적용한 단층 MoS₂ 트랜지스터는 공정 적용 전과 비교해 on-current는 최대 63배 증가했으며, 전계효과 이동도는 51배, 전하 밀도는 37배 향상됐다. 또한 도핑 효과가 장기간 안정적으로 유지되는 비휘발성 특성을 보였으며, 실제 반도체 소자 공정에 적용할 수 있는 가능성을 확인했다.
권 교수는 “이번 연구는 단순히 반도체의 특성을 향상시키는 수준을 넘어, 빛만으로 원자 수준의 결함을 원하는 위치에 정밀하게 형성하는 새로운 결함 제어 플랫폼을 제시했다는 데 큰 의미가 있다”며 “향후 차세대 2D 반도체 기반 CMOS는 물론 미래 반도체 공정의 핵심적인 국소 도핑 기술로 널리 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
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