한국과학기술원(KAIST)을 비롯한 국내외 공동연구진이 150도의 낮은 온도에서도 반데르발스 소재 위에 새로운 반도체를 손상 없이 쌓는 기술을 개발했다.
KAIST는 서준기 생명화학공학과 교수팀이 송봉근 한양대 교수팀, 이모 한 미국 라이스대 교수팀과 원자층증착법(ALD)을 이용한 새로운 반도체 제조기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
반데르발스 소재는 원자층 사이가 약하게 붙어 있어 종이처럼 얇게 떼어낼 수 있는 2차원 반도체 소재다. 서로 다른 소재를 자유롭게 겹칠 수 있어 차세대 AI 반도체와 초저전력 반도체 핵심 소재로 주목받는다.
하지만 표면이 매우 안정적이어서 새로운 반도체를 원하는 방향으로 가지런히 성장시키기 어려웠다. 특히 온도를 낮추면 원자들이 여기저기 흩어져 자라, 고성능 반도체를 만들기 어려웠다.
연구팀은 차세대 반도체 소재로 주목받는 텔루륨을 포함한 전구체(반도체를 만드는 원료 분자)가 표면을 자유롭게 이동하며 가장 안정한 위치를 스스로 찾아 박막을 이루도록 하는 새로운 방법을 개발했다.
이를 통해 연구팀은 150도 저온에서도 ALD를 통해 텔루륨을 반데르발스 소재 위에 아래층 결정 원자 배열을 따라 질서 있게 성장하는 에피택시(아래층 결정 구조를 따라 새로운 반도체가 정밀하게 자라는 고품질 반도체 제조 기술) 구현에 성공했다. 마치 벽돌을 같은 방향으로 반듯하게 쌓는 것과 같아, 전기가 더 잘 흐르고 반도체 성능도 높일 수 있다.
이 기술은 여러 종류의 차세대 반도체 소재에도 폭넓게 활용할 수 있다.
연구팀은 이렇게 만든 반도체로 트랜지스터, 광전자소자도 직접 제작했다. 새로운 제조기술이 실제 반도체 소자 제작에도 활용될 수 있음을 입증한 것이다.
서준기 교수는 “저온에서도 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 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스' 7월 24일 자에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
