나노과학기술원 - GIST 공동연구팀, 고성능 수직 트랜지스터 개발

- 불필요한 전류 억제로 트랜지스터 성능 1,000배 향상

- 차세대 초소형 반도체 기술 상용화 기대

▲ (왼쪽부터) (위)강보석 교수, 광주과학기술원 김현호 교수, (아래) 박효광·최현규 박사과정생, 금오공대 최다은 석사과정생

나노과학기술원(SAINT) 강보석 교수 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 김현호 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 차세대 반도체 소자인 수직 트랜지스터의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 구조를 개발했다고 밝혔다.

트랜지스터는 전자기기의 동작 속도와 에너지 효율을 결정짓는 핵심 부품으로, 작고 빠를수록 성능이 우수하다. 반도체 산업은 이러한 특성을 극대화하기 위해 트랜지스터의 크기를 지속적으로 줄여왔으며, 이 같은 기술 발전 흐름은 흔히 ‘무어의 법칙(Moore’s Law)’으로 설명된다. 무어의 법칙은 트랜지스터의 집적도가 약 2년마다 2배씩 증가한다는 개념으로, 반도체 기술의 발전을 이끌어온 중요한 이정표다.

이러한 흐름 속에서 수직 트랜지스터는 2차원 소재를 활용해 원자 수준의 초소형 구조를 구현할 수 있어 차세대 소자로 주목받고 있으나, 설계 구조상 일부 영역에서 불필요한 전류가 흘러 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 반도체 물질인 이셀레늄화몰리브덴(MoSe₂)*을 채널로 도입했다. 이 물질은 특수 열처리 과정을 통해 전자의 흐름을 정밀하게 조절할 수 있도록 설계되었으며, 이를 통해 트랜지스터 내부에서 발생하는 누설전류를 획기적으로 억제하는 데 성공했다.

* 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2): 2차원 반도체 재료로, 전자 소자에 활용가능한 물질이다.

▲ 게이트 비인가영역에서의 누설 전류를 억제하여 구현한 고성능 수직 트랜지스터

그 결과, 원자 4~5개 수준 두께의 매우 얇은 채널을 가진 수직 트랜지스터에서 최대 128,000의 점멸비(on/off ratio)**를 구현했다. 이는 트랜지스터가 켜진 상태와 꺼진 상태를 얼마나 명확하게 구분할 수 있는지를 나타내는 대표적 성능 지표로, 기존 수직 트랜지스터 대비 약 1,000배 향상된 수치다.

** 점멸비: 트랜지스터가 얼마나 잘 전류를 끄고 켤 수 있는지 수치로 보여주는 성능 지표로 값이 클수록 성능이 좋다고 볼 수 있다.

강보석 교수는 “이번 연구는 수직 트랜지스터에서 오랫동안 해결되지 않았던 누설전류 문제를 근본적으로 해결한 사례”라며, “보다 작고 빠른 반도체 소자를 구현하기 위한 핵심 기술로, 향후 고집적화와 상용화 가능성에도 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 강보석 교수와 GIST 김현호 교수가 교신저자로 연구를 이끌었다. 연구는 산업통상자원부와 과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행되었으며, 나노과학 분야의 세계적 권위지 ACS Nano에 게재되었다.

※ 논문명: High On/Off-Ratio Vertical Transistors with Defect-Engineered MoSe₂ and van der Waals VSe₂ Contacts

※ 학술지: ACS Nano (2025)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c10639