알리 자베이: 진화한 재료

알리 자베이(Ali Javey)는 버클리 캘리포니아대학교(UC Berkeley) 전기·전자공학 및 컴퓨터공학(EECS) 교수이자 로렌스버클리국립연구소(LBNL)의 수석 연구자로서, 반도체 분야에서 재료 혁신을 통해 새로운 소자 구조와 공정 개념을 제시해 온 대표적인 학자다. 그의 연구는 실리콘의 한계를 넘어서는 얇은 막 소자, 2차원 반도체, III-V 반도체의 실리콘 통합, 유연 전자 및 광전자에 걸쳐 있다. 이 글은 자베이 교수의 핵심 성과를 중심으로, 왜 그의 연구가 오늘의 반도체 산업과 내일의 기술 청사진에 중요한지 정리한다.

 

개요와 연구 철학

자베이의 연구는 크게 두 축으로 요약된다. 첫째, 새로운 재료와 구조를 통해 반도체 소자의 물리적 한계를 넓히는 일. 둘째, 실험실 성과를 공정 및 시스템 관점으로 끌어올려 실제 응용 가능성을 검증하는 일이다. 그는 나노·원자 수준에서 전자 이동과 발광·흡수, 결함 억제를 정밀 제어하면서, 공정 가능성과 대면적 집적, 신뢰성까지 엮어 하나의 기술 로드맵으로 이어온 점이 특징이다.

 

주요 성과 1: 단분자층 도핑(Monolayer Doping)

초미세 공정 시대의 핵심 과제는 얕고 날카로운 접합을 균일하게 만드는 것이다. 자베이는 실리콘 표면에 도펀트가 포함된 자가조립 단분자층을 형성하고 짧은 열처리로 확산시키는 단분자층 도핑 기법을 제시했다. 이 방식은 두께가 수 나노미터 수준인 매우 얕은 접합을 구현하면서도 열 예산과 결정 손상을 최소화한다. 결과적으로 소스·드레인 접합의 누설 및 직렬저항을 낮추고, 미세화에서 흔히 발생하는 단락 및 변동성을 줄이는 데 기여한다. 무엇보다 기존 확산 기반 도핑보다 공정 윈도우가 넓고, 표면 화학을 통해 도핑 프로파일을 정교히 설계할 수 있다는 점에서 산업 적용 가능성이 높다.

 

주요 성과 2: III-V 기반 실리콘 통합(XOI) 구조

고이동도 III-V 반도체(InGaAs, GaSb 등)를 실리콘 기반 절연체 위에 얇은 채널 형태로 통합하는 XOI 개념 또한 자베이 그룹이 앞장선 분야다. 실리콘 공정 인프라를 유지하면서 채널 이동도를 크게 끌어올릴 수 있어, 저전력·고속 로직 소자에 매력적이다. 실험에서는 낮은 서브문턱 기울기 및 우수한 스위칭 특성을 보였고, 얇은 채널 두께에서의 전계 제어 및 계면 결함 억제 전략까지 제시되었다. 이 연구 축은 ‘실리콘의 경제성 + III-V의 물성’이라는 두 세계의 장점을 공정 수준에서 통합하려는 시도다.

 

주요 성과 3: 2차원 반도체 및 원자막 소자

자베이는 MoS₂, WSe₂, WS₂ 등 전이금속 칼코겐화합물(TMD)을 이용한 원자막 트랜지스터와 광전자 소자 연구에서 세계적으로 인용되는 결과들을 발표해 왔다. 원자 두께의 채널은 짧은 게이트 길이에서도 전계 제어가 뛰어나 미세화에 유리하지만, 금속 접촉 저항·계면 결함·비방사 재결합 등 난제가 많다. 자베이 그룹은 게이트 길이를 극한으로 줄인 트랜지스터 동작 실증, 접촉 공학을 통한 저저항 접촉 형성, 계면 화학 및 결함 제어를 통한 이동도 및 발광 효율 개선 등 해결책을 단계적으로 제시했다. 이는 2차원 소자의 ‘가능성’을 ‘작동하는 프로토타입’으로 끌어올린 연구로 평가된다.

 

주요 성과 4: 광전자 소자에서의 고효율 발광 및 응력 공학

단일층 TMD의 발광 효율을 이론 한계에 근접하게 끌어올린 보고도 자베이 그룹의 대표작이다. 비방사 경로를 억제하고 결함 보정을 통해 발광 효율을 크게 개선했고, 더 나아가 외부 응력과 전기장을 이용해 밴드 구조 및 재결합 동역학을 조절하는 방식을 체계화했다. 이러한 성과는 2D LED, 초박형 광검출기, 집적 포토닉스 등에서 새로운 기능성 소자 설계를 가능하게 한다. 얇고 유연한 기판에서도 광학 성능을 확보할 수 있다는 점은 웨어러블·플렉시블 광전자 응용으로 이어진다.

 

주요 성과 5: 유연 전자 및 대면적 센서 플랫폼

나노와이어·나노튜브·2차원 재료를 결합한 유연 전자 및 전자피부(e-skin) 플랫폼도 자베이 연구의 상징적 결과다. 낮은 온도 공정과 전사 공정을 활용해 넓은 면적에 균일한 소자를 집적하고, 기계적 굴곡과 비정형 곡면에서도 안정적으로 동작하도록 설계했다. 인체 부착형 센서, 환경 모니터링, 로봇 촉각 등으로 확장 가능한 이 라인은 ‘새로운 재료를 실제 시스템으로 연결하는 실행력’을 보여준다. 연구실 시연을 넘어 신뢰성, 전력 및 패키징 등 엔지니어링 세부를 병행 검증해 응용의 문턱을 낮춘 점이 돋보인다.

 

공정·소자·시스템을 잇는 접근 방식

자베이의 논문을 관통하는 공통점은 공정 가능성과 소자 물리, 시스템 구현이 한 축 위에 놓인다는 것이다. 얕은 접합과 저손상 활성화를 위한 열 공정 설계, 금속 접촉 및 계면 상태 밀도의 공학, 저온 증착 및 전사, 대면적 균일화 등은 각 성과의 밑바탕이다. 동시에 소자 단계에서는 서브문턱 스윙, 온전류/오프전류, 접촉 저항, 고주파 특성, 잡음과 신뢰성 등 실용 지표까지 점검된다. 마지막으로 센서 네트워크, 웨어러블 모듈, 간단한 회로 데모 등 시스템 레벨에서 기능을 증명해 ‘재료에서 제품으로’ 이어지는 경로를 명확히 한다.

 

산업적 함의

오늘의 반도체 산업은 두 가지 축에서 난제를 마주한다. 공정 미세화의 물리적·경제적 장벽과 고성능·저전력·소형화·유연성이라는 상충 요구 조건이다. 자베이의 연구는 이 둘에 동시 해법을 제시한다. 단분자층 도핑과 같은 저열·저손상 접합 형성은 미세화 수율 및 변동성 문제에 직접적으로 대응하며, XOI 구조는 실리콘 생태계를 유지하면서 이동도를 끌어올릴 수 있는 현실적 통합 전략이다. TMD와 원자막 광전자 연구는 2차원 재료를 ‘특이한 소재’가 아닌 ‘설계 가능한 기능 블록’으로 격상시켰으며, 유연 전자와 패키징 친화적 구조는 폼팩터 혁신을 뒷받침한다.

 

대표 연구 테마와 키워드

• 초박막 접합 형성: 단분자층 도핑, 저열 활성화, 접합 누설 억제
• 이종 통합 공정: III-V on Insulator(XOI), 얇은 채널 전계 제어, 계면 결함 억제
• 2차원 반도체 소자: 저저항 금속 접촉, 극단적 게이트 축소, 결함·재결합 공학
• 광전자 통합: 고발광 효율 2차원 재료, 응력·전기장 기반 밴드 조절, 초박형 포토닉스
• 유연·웨어러블 시스템: 전사·저온 증착, 대면적 집적, 전력·신뢰성 최적화

 

연구 영향력과 협업 생태계

그의 연구 그룹은 재료 과학, 전자·광전자 소자 물리, 미세가공 공정, 회로 및 시스템 구현까지 아우르는 다학제 팀이다. 장비 업체·소재 기업·파운드리와의 공동연구를 통해 공정 제약을 직접 반영하고, 반대로 학계 결과를 산업 문제에 투영하는 상호작용을 강화해 왔다. 이러한 협업 구조는 논문 임팩트뿐 아니라 특허, 기술 이전, 표준화 논의로 이어지며 반도체 생태계 전반에 파급력을 미친다.

 

최근 동향과 향후 과제

최근에는 2차원 반도체에서 비방사 경로 억제, 응력·전기장 제어로 광·전기 성능을 동시에 개선하는 연구가 고도화되고 있다. 원자층 증착과 저온 증착을 결합해 대면적 일관성을 확보하는 공정화 전략, 패키징 친화적 구조와 열 관리 통합 설계도 부상하고 있다. 앞으로 풀어야 할 질문은 다음과 같다. 2차원·III-V·유연 전자는 어떻게 기존 실리콘 제조 플로우와 충돌 없이 통합될 것인가? 공정 변동성과 결함 분포를 산업 허용치 수준으로 낮출 수 있는가? 패키징과 시스템 수준에서 열, 신뢰성, EMI 등의 문제를 충분히 제어할 수 있는가? 자베이의 연구 로드맵은 이 질문들에 연속적 답을 제공하는 데 초점이 맞춰져 있다.

 

참고할 만한 대표 논문과 주제

• 단일층 2차원 반도체 트랜지스터의 극단적 게이트 축소와 전계 제어
• 단분자층 도핑을 통한 초박막 접합 형성 및 소자 특성 개선
• III-V on Insulator 기반 얇은 채널 FET의 저전력 스위칭
• 2차원 반도체에서의 비방사 재결합 억제 및 고발광 효율 실현
• 유연 전자피부와 대면적 센서 네트워크의 회로·패키징 통합

 

정리

알리 자베이는 “새로운 재료를 잘 만드는 연구자”에 그치지 않는다. 그는 재료의 물성을 소자 물리로 번역하고, 다시 공정과 시스템으로 끌어올려 실제 응용 가능성을 높인 전 과정을 설계해 온 연구자다. 미세화가 물리적·경제적 양면에서 벽에 부딪힌 오늘, 그의 연구는 대안적 경로를 제시한다. 얇은 채널과 얕은 접합, 이종 통합과 결함 공학, 유연 전자와 패키징을 아우르는 그의 결과물은 차세대 로직과 메모리, 광전자, 웨어러블까지 적용 가능한 범용 플랫폼의 기초다. 반도체의 다음 시대가 ‘공정의 한계를 우회하는 시대’라면, 자베이가 쌓아 온 연구는 그 시대의 출발선이 될 가능성이 높다.