KAIST 공동연구진, 반데르발스 소재 위 텔루륨 정밀 성장 구현
트랜지스터·광전자소자 제작 성공…AI·초저전력 반도체 활용 기대

서로 다른 기능의 반도체 소재를 150℃의 낮은 온도에서도 손상 없이 층층이 균일하게 쌓는 기술이 개발됐습니다.

KAIST 생명화학공학과 서준기 교수팀은 한양대학교 송봉근 교수팀, 미국 라이스대학교 이모 한 교수팀과 함께 150도에서도 고품질 반도체 박막을 만드는 데 성공했습니다.

미래 반도체는 기능이 다른 소재를 하나의 칩에 여러 층으로 집적하는 방향으로 발전하고 있습니다.

하지만 새로운 소재를 쌓을 때 발생하는 높은 열이 먼저 만들어진 아래층을 손상시키는 문제가 있었습니다. 공정 온도를 낮추면 원자들이 불규칙하게 성장해 반도체 성능이 떨어지는 한계도 있었습니다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 반데르발스 소재와 원자층증착법을 활용했습니다.

반데르발스 소재는 원자층이 약한 힘으로 결합한 2차원 물질입니다. 종이처럼 얇게 분리할 수 있고 서로 다른 소재를 자유롭게 겹칠 수 있어 AI와 초저전력 반도체의 핵심 소재로 꼽힙니다.

표면이 안정적이어서 다른 물질과 쉽게 반응하지 않는다는 점은 제조 과정의 걸림돌이었습니다. 새로운 반도체를 원하는 방향으로 균일하게 성장시키기 어려웠기 때문입니다.

연구진은 반도체 원료 분자가 소재 표면을 자유롭게 이동하며 가장 안정적인 위치를 스스로 찾도록 공정을 설계했습니다.

차세대 반도체 소재로 주목받는 텔루륨을 원료로 사용했습니다. 텔루륨은 전기를 특정 방향으로 잘 전달하면서 빛도 효과적으로 제어할 수 있어 반도체와 광검출기, 발광다이오드 등에 활용할 수 있습니다.

연구진은 150도의 낮은 온도에서 원자층증착법으로 텔루륨 박막을 형성했습니다. 새로 쌓인 텔루륨은 아래에 놓인 반데르발스 소재의 결정 배열을 따라 같은 방향으로 성장했습니다.

이를 '에피택시 성장'이라고 합니다. 원자를 불규칙하게 쌓는 대신 아래층의 결정 구조에 맞춰 정렬하는 방식으로 전류 흐름과 소자 성능을 높일 수 있습니다.

연구진은 이 기술이 이셀레늄화 텅스텐과 이황화 몰리브덴, 이셀레늄화 레늄, 운모 등 여러 반데르발스 소재에서도 작동하는 것을 확인했습니다.

특정 물질에만 적용되는 공정이 아니라 다양한 2차원 반도체 소재의 적층에 활용할 가능성을 입증한 것입니다.

연구진은 이번 공정으로 만든 반도체를 이용해 전류를 제어하는 트랜지스터와 빛을 감지하거나 방출하는 광전자소자도 제작했습니다.

저온 적층 기술이 소재 합성에 그치지 않고 실제 반도체 소자 제조에도 적용될 수 있음을 확인했습니다.

서준기 교수는 "이번 연구는 낮은 온도에서도 반데르발스 소재를 훼손하지 않고 고품질 반도체를 성장시킬 수 있다는 것을 처음 보여준 성과"라며 "서로 다른 차세대 반도체를 하나의 칩에 집적하는 핵심 제조기술로 활용될 것으로 기대한다" 말했습니다..

KAIST 김창환 박사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 7월 24일 자에 실렸습니다.