원자 치환으로 초박막 하나에 트랜지스터 핵심 부품 구현

한국 연구진이 초박막 소재의 특정 원자를 바꾸는 방식으로 작동하는 트랜지스터를 제작했다. 서로 다른 소재의 층을 따로 조립하는 대신 하나의 막 안에 핵심 구성 요소들을 만든 것이다.

기초과학연구원 연구팀은 이 성과를 Science에 발표했다. 전자회로에 쓰이는 초소형 스위치인 트랜지스터에는 반도체, 절연체, 전기 접점이 필요하다. 원자 수준으로 얇은 소재에서 이러한 부품을 결합하는 일은 특히 어렵다. 코팅이 고르지 않을 수 있고 금속 접점을 붙이는 과정에서 표면이 손상되거나 전류 흐름이 방해받을 수 있기 때문이다.

연구진은 텅스텐과 셀레늄이 포함된 막에서 출발했다. 텅스텐은 그대로 두고 특정 셀레늄 원자를 치환해 절연 영역과 다른 종류의 반도체, 전도성이 높은 접촉층을 만들었다. 연구진은 두께가 각각 약 0.7나노미터, 즉 10억 분의 1미터보다 얇은 원자층 단위로 변화를 제어했다.

시험 결과, 제작된 트랜지스터는 전류를 10배로 바꾸는 데 61.3밀리볼트의 전압 변화가 필요했다. 이는 실온에서 기존 트랜지스터가 갖는 이론적 최솟값인 약 60밀리볼트에 가깝다. 연구팀은 두 종류의 트랜지스터를 적층해 1볼트에서 작동하는 기본적인 신호 반전 회로도 제작했다.

이 접근법은 더 작고 전력 소모가 적은 전자기기의 제조를 단순화할 수 있다. 다만 대규모 생산에 적용하려면 반도체 칩 생산에 쓰이는 넓은 표면 전체에서 원자 치환이 균일하고 안정적으로 이뤄진다는 점을 입증해야 한다.