백금 다이셀레나이드 박막에 준금속·반도체 영역 연속 구현… 접촉 저항 줄이는 차세대 반도체 구조 제시

KAIST 신소재공학과 홍승범·강기범 교수 연구팀과 성균관대학교 조성범 교수 연구팀이 2차원 소재 안에서 전류가 경계에 막히지 않고 흐르는 구조를 구현하고, 이를 나노미터 수준에서 직접 관찰하는 데 성공했다.

반도체는 금속 전극과 반도체가 만나는 경계에서 발생하는 접촉 저항으로 인해 성능이 저하되고 전력 손실이 발생한다. 소자가 작아질수록 접촉 저항의 영향은 커지기 때문에 차세대 반도체 개발 과정의 주요 기술적 과제로 꼽혀 왔다.

연구팀은 기존처럼 금속 전극을 반도체 위에 별도로 붙이는 대신, 원자층 두께의 2차원 소재인 백금 다이셀레나이드(PtSe₂) 박막 하나에 준금속 영역과 반도체 영역을 연속적으로 구현했다.

같은 소재 안에서 원자층 두께를 조절해 서로 다른 전기적 특성을 갖는 두 영역을 만들고, 경계가 끊기지 않고 이어지는 단일체 구조를 형성한 것이다. 연구팀은 이러한 구조에서 전류가 준금속과 반도체의 경계를 지날 때 흐름이 막히지 않는다는 점을 실험적으로 확인했다.

기존 금속 전극과 반도체의 접합 구조에서는 서로 다른 물질이 맞닿으면서 화학적 잔류물이나 물질 사이의 간격 등이 발생할 수 있다. 반면 이번 연구에서는 하나의 소재 안에 두 영역을 구현해 구조적으로 연속된 계면을 만들었다. 연구팀은 원자힘현미경(AFM)을 이용해 박막 내부에서 전하가 이동하는 모습을 나노미터 수준에서 직접 시각화했다.

분석 결과, 준금속 영역에서 반도체 영역으로 전류가 이동할 때 흐름이 막히거나 방향이 급격히 꺾이는 현상 없이 자연스럽게 이어지는 것으로 나타났다. 연구팀은 이를 통해 단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 세계 최초로 직접 확인했다고 설명했다.

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연구팀은 반도체 영역에 실제 트랜지스터와 같이 전기장을 가하는 실험도 진행했다. 그 결과 금속과 반도체 특성이 결합된 구조에서 전류의 흐름을 안정적으로 제어할 수 있는 것으로 나타나 차세대 전자소자로서의 활용 가능성을 확인했다.

이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 김연규 박사과정생과 견민승 박사, 성균관대학교 홍지훈 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. KAIST 홍승범·강기범 교수와 성균관대 조성범 교수 연구팀이 공동으로 연구를 수행했다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Matter’ 2026년 7월호에 게재됐다. 논문명은 ‘Nanoscale imaging of charge transport across the semimetal-semiconductor interface in monolithic platinum diselenide’이며, DOI는 10.1016/j.matt.2026.102873이다.

홍승범 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체 계면에서 전류가 흐르는 모습을 나노미터 수준에서 직접 확인한 세계 최초의 사례”라며 “단일체 계면이 전류의 흐름을 방해하지 않는다는 사실을 실험적으로 입증한 만큼, 다양한 차세대 반도체의 접촉 저항 문제를 해결하는 핵심 원천기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구팀은 이번 분석 방법을 다른 2차원 전이금속 디칼코게나이드 접합 시스템에도 확대 적용할 계획이다. 해당 기술은 2차원 전자소자, AI 반도체, 초저전력 반도체, 차세대 로직 반도체와 소형화 하드웨어 설계 등에 활용될 가능성이 제시됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 STEAM연구사업 및 나노소재기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

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