접촉 저항 줄이는 단일체 반도체 구조 개발
AI·초저전력 반도체 성능 높일 핵심 기술 기대

반도체의 성능을 떨어뜨리는 '전기 병목현상'을 해결할 수 있는 새로운 구조를 국내 연구진이 세계 최초로 구현했습니다. 전류가 경계에서 끊기지 않고 자연스럽게 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인하면서 차세대 AI 반도체와 초저전력 반도체 개발의 핵심 기술이 될 것으로 기대됩니다.

KAIST 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 같은 과 강기범 교수, 성균관대 조성범 교수 연구팀과 공동으로 2차원 소재 내부에서 전류가 막힘없이 이동하는 단일체 구조를 구현하고 이를 실시간으로 분석하는 플랫폼을 개발했습니다.

반도체는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 발생하는 접촉 저항 때문에 전류 흐름이 방해받고 전력 손실이 발생합니다. 특히 반도체 소자가 미세화될수록 접촉 저항의 영향이 커져 차세대 반도체 개발의 대표적인 난제로 꼽혀왔습니다.

연구팀은 기존처럼 금속 전극을 반도체 위에 연결하는 방식 대신 하나의 2차원 소재 안에서 준금속 영역과 반도체 영역을 연속적으로 형성하는 구조를 구현했습니다. 하나의 박막 안에서 두 영역이 자연스럽게 이어지도록 설계해 전류가 경계에서 막히지 않고 흐를 수 있음을 세계 최초로 입증했습니다.

연구에 사용된 소재는 원자층 두께의 2차원 물질인 백금 다이셀레나이드(PtSe₂)입니다. 연구진은 동일한 소재 안에서 준금속과 반도체 특성을 함께 구현한 단일체 구조를 만들어 기존 금속-반도체 접합에서 발생하던 전기적 손실을 줄일 수 있는 새로운 설계 방식을 제시했습니다.

또 원자힘현미경(AFM)을 이용해 박막 내부를 흐르는 전하의 이동 경로를 나노미터 수준에서 직접 관찰했습니다. 분석 결과 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 이동하는 과정에서 흐름이 끊기거나 방향이 바뀌는 전기 병목현상이 나타나지 않는다는 사실을 확인했습니다.

이는 단일체 계면이 전류 흐름을 방해하지 않는다는 점을 실험적으로 입증한 첫 사례라고 연구팀은 설명했습니다.

연구진은 반도체 영역에 실제 트랜지스터처럼 전기장을 인가해 동작 특성도 검증했습니다. 그 결과 전류를 안정적으로 제어할 수 있는 것으로 확인돼 차세대 전자소자로 활용할 가능성도 입증했습니다.

연구팀은 이번 기술이 2차원 반도체의 접촉 저항을 획기적으로 낮춰 AI 반도체와 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체 등 미래 반도체 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대했습니다.

홍승범 교수는 "2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인한 세계 최초의 연구"라며 "단일체 계면이 전류 흐름을 방해하지 않는다는 점을 실험적으로 입증한 만큼 차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결하는 핵심 원천기술이 될 것으로 기대한다"고 말했습니다.

KAIST 김연규 박사과정, 견민승 박사와 성균관대 홍지훈 박사과정이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '매터(Matter)' 2026년 7월호에 실렸습니다.