한양대·미국 라이스대와 공동 연구… 연구 결과 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 7월 24일 자 게재

서로 다른 기능을 가진 소재를 한 칩에 층층이 쌓아 만드는 미래 반도체는 소재를 쌓는 데 필요한 높은 열로 아래층이 손상되는 것이 큰 걸림돌이었다. KAIST와 국내외 공동연구진이 150℃의 낮은 온도에서도 차세대 2차원 반도체 소재 위에 새로운 반도체를 손상 없이 정밀하게 쌓는 기술을 개발했다.

KAIST는 생명화학공학과 서준기 교수 연구팀이 한양대학교 송봉근 교수 연구팀, 미국 라이스대학교(Rice University) 이모 한(Yimo Han) 교수 연구팀과 공동으로 원자층증착법(ALD)을 이용한 새로운 반도체 제조기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 원자층증착법은 반도체 원료를 차례로 공급해 두께를 원자 수준으로 조절하면서 균일한 박막을 쌓는 기술이다.

연구팀이 주목한 것은 반데르발스 소재다. 반데르발스 소재는 원자층이 여러 장 겹쳐 있지만 층과 층 사이가 약하게 붙어 있어 종이처럼 얇게 떼어낼 수 있는 2차원 반도체 소재로, 서로 다른 소재를 자유롭게 겹칠 수 있어 차세대 인공지능(AI) 반도체와 초저전력 반도체의 핵심 소재로 꼽힌다. 그러나 표면이 매우 안정적이어서 새로운 반도체를 원하는 방향으로 가지런히 성장시키기 어려웠고, 특히 온도를 낮추면 원자들이 여기저기 흩어져 자라기 때문에 성능이 좋은 반도체를 만들기 쉽지 않았다.

연구팀은 차세대 반도체 소재로 주목받는 텔루륨(Te)을 포함한 전구체(반도체를 만드는 원료 분자)가 표면을 자유롭게 이동하며 가장 안정한 위치를 스스로 찾아 박막을 이루도록 하는 ‘확산 유도형 에피택셜 원자층증착법(Epi-ALD)’이라는 새로운 성장 개념을 제시했다. 반데르발스 표면을 단순히 화학 반응성이 낮은 기판이 아니라 전구체가 머무르고 이동하는 과정을 조절하는 템플릿으로 활용한 것이 핵심이다. 연구팀은 반데르발스 표면의 원자 배열에 따라 형성되는 미세한 분극이 전구체를 표면에 약하게 붙잡아 안정화하고, 전구체가 표면을 따라 이동한 뒤 가장 안정한 위치에서 결정 성장을 시작하도록 하는 원리를 규명했다. 텔루륨은 전기를 한 방향으로 잘 전달하는 특성과 빛을 효과적으로 제어하는 광전자 특성을 함께 갖춰 차세대 반도체와 광검출기, 발광다이오드(LED) 등 광전자 소자의 핵심 소재로 주목받는 물질이다.

이를 통해 연구팀은 150℃의 낮은 온도에서도 원자층증착법으로 텔루륨이 반데르발스 소재 위에서 아래층 결정의 원자 배열을 따라 질서 있게 자라는 에피택시 성장을 구현하는 데 성공했다. 에피택시 성장은 벽돌을 아무렇게나 쌓는 것이 아니라 모든 벽돌을 같은 방향으로 반듯하게 쌓는 것처럼, 새로운 반도체가 원자 단위로 정밀하게 자라는 고품질 반도체 제조 방식으로 전기가 더 잘 흐르고 반도체 성능도 높일 수 있다.

실제로 이셀레늄화 텅스텐(WSe2) 위에서 성장한 텔루륨은 약 1.4옹스트롬(Å)의 깨끗한 반데르발스 간격을 보였고, 두 물질 간 원자 배열 간격이 3.6% 이상 차이 나는 데도 계면 변형률을 0.2% 이하로 억제했다. 또한 템플릿의 결정 대칭성에 따라 텔루륨의 성장 방향을 제어할 수 있음을 확인했다. 결정 구조가 세 방향으로 반복되는 템플릿에서는 텔루륨이 세 방향으로 정렬됐고, 낮은 대칭성을 갖는 이황화 레늄(ReS2)과 이셀레늄화 레늄(ReSe2) 템플릿에서는 한 방향으로 우세하게 정렬됐다. 이를 통해 단결정에 가까운 텔루륨 박막을 구현하고, 결정 방향에 따라 전기적·광학적 특성이 달라지는 이방성과 특수한 양자 수송 현상인 카이랄 이상 신호도 확인했다.

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이 기술은 이셀레늄화 텅스텐과 이황화 몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화 레늄, 운모(Mica) 등 다양한 반데르발스 소재에도 적용할 수 있는 것으로 확인됐다. 특정 소재 하나에만 적용되는 기술이 아니라 여러 종류의 차세대 반도체 소재에 폭넓게 활용할 수 있다는 의미다. 연구팀은 대면적 운모 위에 균일한 텔루륨 박막을 성장시켜 공정 확장성도 검증했다.

나아가 연구팀은 이렇게 만든 반도체로 전류의 흐름을 제어하는 트랜지스터와 빛을 감지하거나 빛을 내는 광전자소자도 직접 제작했다. 텔루륨을 이용한 p형 전계효과 트랜지스터에서는 1만 이상의 온·오프 전류비를, 텔루륨과 이셀레늄화 레늄의 수직 p-n 이종접합 소자에서는 빠른 광응답 특성을 확인해 새로운 제조기술이 연구실 수준에 머무르지 않고 실제 반도체 소자 제작에도 활용될 수 있음을 입증했다.

서준기 교수는 “이번 연구는 낮은 온도에서도 반데르발스 소재 위에 고품질 반도체를 손상 없이 성장시킬 수 있다는 것을 처음 보여준 성과”라며 “앞으로 다양한 차세대 반도체를 하나의 칩 위에 자유롭게 집적하는 핵심 제조기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

KAIST 김창환 박사과정생이 제1저자로, 서준기 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월 24일 자에 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 한국연구재단의 우수신진연구사업, PIM 인공지능반도체 핵심기술개발(소자)사업, 개척연구사업 및 박사과정생 연구장려금의 지원을 받아 수행됐다.

이번 기술은 이미 형성된 반도체 구조 위에 추가적인 손상을 최소화하면서 새로운 기능성 박막을 집적할 수 있다는 점에서 차세대 AI·저전력 반도체와 광전자소자 개발의 새로운 길을 연 성과로 평가된다.

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