한국과학기술원(KAIST)·울산과학기술원(UNIST)·한양대학교(Hanyang University)와 티디에스이노베이션(TDS Innovation) 공동연구팀이 2차원 반도체 결정이 자라는 위치와 핵의 개수를 제어하는 기술을 개발했다. 과학기술정보통신부는 연구 성과가 10월 8일 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다고 밝혔다.
결정이 시작되는 곳까지 제어
연구팀은 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2)이 성장 영역의 중앙에서 하나의 결정핵을 만들도록 유도했다. 400개 실험 패턴 가운데 99% 이상에서 중앙에 단일 결정이 형성됐으며, 성장한 단결정의 크기는 최대 10마이크로미터급이었다. 비정질 이산화규소(SiO2) 기판에서도 기술을 적용했고, 여러 산화물 장벽을 활용해 430도의 낮은 온도에서도 단일 중심 핵생성을 구현했다.
기존 선택성장 기술은 반도체가 자랄 영역을 정할 수 있었지만, 그 영역 안에서 결정핵이 생기는 위치는 확률에 맡겨졌다. 여러 핵이 자라 서로 맞닿으면 결정 배열이 어긋나는 경계가 생겨 전자의 이동을 방해할 수 있다. 이번 기술은 산화하프늄(HfO2) 등 산화물 장벽에서 나온 산소 성분이 MoS2의 핵생성과 성장을 억제하는 현상을 이용했다. 억제 작용은 장벽에 가까운 가장자리에서 강하고 중앙에서 약해, 중앙에만 핵이 형성되도록 핵생성 확률을 조절한다.
단결정 성장에서 소자 적용까지
연구팀은 성장 영역의 크기와 공정 시간, 전구체 공급량에 따른 핵생성 양상을 분석해 핵이 생기지 않는 경우와 하나 또는 여러 개가 생기는 경우를 제어하는 설계 원리도 정립했다. 핵이 하나만 형성되면 결정이 옆으로 자라 경계가 없는 단결정으로 이어진다. 성장 영역 안의 핵생성 위치까지 설계해 기존 선택성장의 제어 범위를 넓힌 것이 이번 성과의 핵심이다.
연구팀은 삼각형에 한정되지 않는 직선형 단결정 MoS2도 제작했다. 이를 이용한 전계효과 트랜지스터(FET)의 전계효과 이동도는 최대 117㎠/V·s였고, 하나의 큰 단결정에 여러 트랜지스터를 만들었을 때 이동도의 상대 표준편차는 7.8%였다. MoS2와 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2)을 옆으로 연결한 이종구조와 자가정렬 금속 접촉 소자도 구현했다.
연구 성과는 원자층 수준으로 얇은 2차원 반도체를 회로 설계에 맞춰 필요한 위치에 형성하는 제조 기술로 발전할 가능성이 있다. 연구팀은 이를 고집적 로직 소자와 3차원 집적, 이종접합, 접촉·도핑 공정 등에 활용할 수 있을 것으로 내다봤다. 연산부와 메모리를 수직으로 가깝게 배치하면 데이터 이동에 필요한 시간과 에너지를 줄일 수 있어 데이터센터 전력 부담과 AI 서비스 응답 시간을 낮추는 데 도움이 될 수 있다는 설명이다. 다만 실제 반도체 제조 공정 적용은 향후 과제로 남아 있다.