결정핵 위치 제어한 2차원 반도체 성장 기술

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KAIST·UNIST·한양대와 티디에스이노베이션 공동연구팀이 2차원 반도체의 결정핵 생성 위치를 정밀하게 제어하는 소재 성장 기술을 개발했다. 연합뉴스에 따르면 연구팀은 400개 실험 패턴에서 99% 이상의 비율로 이황화몰리브덴 단결정을 형성했으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 실렸다.¹

원자층 수준으로 얇은 2차원 반도체는 기존 연산회로 위에 추가로 쌓을 수 있어 적층형 인공지능(AI) 반도체 소재로 거론된다. 다만 여러 결정핵에서 제각각 성장한 결정이 맞닿으면 원자 배열이 어긋나는 경계가 생기고, 이 경계가 전자 이동을 방해해 품질과 성능을 낮춘다. 기존 선택성장 기술도 정해진 영역 안에서 결정핵이 생기는 위치까지 통제하지는 못해 단결정의 크기와 위치를 정밀하게 조절하기 어려웠다.

연구팀은 성장 영역을 둘러싼 산화물 장벽의 산소 성분이 결정핵 형성을 억제한다는 점을 이용했다. 억제 효과는 장벽과 가까운 가장자리에서 강하고 중앙에서 약해, 결정핵 하나가 영역 중앙에 생기도록 유도할 수 있었다. 이후 결정은 다른 결정과 맞닿는 경계 없이 단결정으로 성장했다.

연구팀은 이 기술을 회로 설계에 맞춰 필요한 위치에 고품질 반도체를 직접 성장시키는 공정으로 발전시키면 연산과 메모리를 수직 집적하는 기반이 될 것으로 기대했다. 다만 이번 성과는 소재 성장 단계의 연구 결과로, 실제 반도체 제조공정 적용과 적층형 AI 칩 구현은 후속 개발이 필요한 목표다.

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