국내 연구진이 2차원 반도체 결정의 생성 위치를 정밀하게 제어하는 기술을 개발해 차세대 고집적·저전력 AI 반도체 구현을 위한 기반을 마련했다.

국내 연구진이 2차원 반도체 결정의 생성 위치를 정밀하게 제어하는 기술을 개발해 차세대 고집적·저전력 AI 반도체 구현을 위한 기반을 마련했다.

과학기술정보통신부는 KAIST 강기범 교수와 UNIST 김병조 교수, 한양대학교 김우희 교수, TDS Innovation 등이 참여한 공동연구팀이 새로운 반도체 소재 성장 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

이번 기술은 산화물 장벽에서 나오는 화학 성분을 이용해 2차원 반도체 결정이 생성되는 위치를 제어하는 방식이다. 반도체가 성장하는 영역뿐 아니라 결정의 성장이 시작되는 지점까지 설계할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

연구 성과는 세계적인 학술지 '네이처(Nature)' 10월 8일 자에 게재됐다. 논문명은 'Spatially deterministic nucleation of 2D semiconductors by etching flux'다.

원자층 수준의 얇은 두께를 가진 2차원 반도체는 기존 연산 회로 위에 반도체를 추가로 쌓아 AI 칩의 성능을 높이고 전력 소모를 줄일 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다.

그러나 실제 반도체 제조 공정에 적용하려면 원하는 위치에 균일한 품질의 반도체를 형성하는 기술이 필요하다.

2차원 반도체는 원자들이 모여 작은 결정핵을 형성한 뒤 주변에 원자가 계속 결합하면서 성장한다. 이 과정에서 서로 다른 위치에서 자란 결정이 만나면 원자 배열이 어긋나는 경계가 발생할 수 있다.

이러한 경계는 전자의 이동을 방해해 반도체의 품질과 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다.

기존에도 특정 영역에서만 반도체를 성장시키는 선택성장 기술은 개발됐지만, 해당 영역 안에서 결정핵이 생성되는 정확한 위치까지 제어하기는 어려웠다.

연구팀은 산화하프늄(HfO₂) 등 산화물 장벽에서 나오는 산소 성분이 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS₂)의 결정핵 형성을 억제한다는 점에 주목했다.

산소 성분의 억제 작용은 산화물 장벽과 가까운 가장자리에서 강하게 나타나는 반면, 장벽에서 멀리 떨어진 중앙에서는 상대적으로 약하게 나타난다.

연구팀은 이러한 특성을 활용해 성장 영역의 가장자리에서는 결정핵 생성을 억제하고 중앙에서 하나의 결정핵만 형성되도록 유도했다.

중앙에서 생성된 결정핵은 주변으로 성장하면서 다른 결정과 맞닿는 경계가 없는 단결정을 형성했다. 단결정은 물질 내부의 원자 배열이 하나의 결정 방향으로 연속적으로 이어진 상태를 의미한다.

실험 결과, 연구팀은 400개의 실험 패턴 중 99% 이상에서 중앙에 하나의 이황화몰리브덴 단결정을 형성하는 데 성공했다.

이번 성과는 반도체 소재의 성장 영역을 지정하는 기존 기술에서 한 단계 나아가 결정핵의 생성 위치까지 제어할 수 있음을 입증했다는 평가다.

향후 회로 설계에 따라 필요한 위치에 고품질 반도체를 직접 성장시키는 제조 기술로 발전할 경우, 여러 층의 반도체 소자를 수직으로 쌓는 적층 공정에 활용될 것으로 기대된다.

특히 연산 처리 장치와 메모리를 수직으로 가깝게 배치하면 데이터 이동에 필요한 시간과 에너지를 줄일 수 있다. 이를 통해 데이터센터의 전력 부담을 완화하고 AI 서비스의 응답 속도를 높이는 데 기여할 것으로 전망된다.

KAIST 강기범 교수는 “이번 연구를 통해 2차원 반도체 성장 과정에서 결정이 어디에서 시작될지를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 가능성을 확인했다”며, “앞으로는 이러한 원천기술을 바탕으로 2차원 반도체를 실제 반도체 제조 공정에 적용하고, 궁극적으로는 연산과 메모리를 수직으로 집적하는 차세대 AI 반도체 기술로 발전시키고자 한다”고 밝혔다.

과기정통부 김성수 연구개발정책실장은 “이번 성과는 반도체 소재의 형성 원리를 탐구하는 기초연구와 이를 활용한 원천기술 개발을 통해 반도체 제조 공정의 새로운 해법을 제시한 사례”라며, “연구자들의 창의적인 연구를 이어가고, 그 성과를 미래 산업에 필요한 핵심 기술로 발전시킬 수 있도록 지원을 아끼지 않을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 개인기초연구 사업과 나노소재기술개발 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.