[뉴스폭탄=이호현 기자] 과학기술정보통신부는 8일 보도자료에서 한국과학기술원(KAIST), 울산과학기술원(UNIST), 한양대학교, 티디에스이노베이션(TDS Innovation)이 참여한 공동연구팀이 2차원 반도체 결정이 생기는 위치를 정하고 그곳에서 하나의 결정만 자라도록 제어하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 차세대 적층형 인공지능(AI) 반도체 구현의 기반이 될 것으로 기대된다는 설명이다.
연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature)에 10월 8일 게재됐다. 과기정통부의 개인기초연구 사업과 나노소재기술개발 사업 지원으로 수행됐다. 연구에는 KAIST 강기범 교수, UNIST 김병조 교수, 한양대 김우희 교수 등이 참여했다.
▲ KAIST·UNIST 공동연구팀의 2차원 반도체 연구 성과를 담은 그림(일부 잘라 사용). ⓒ 과학기술정보통신부 보도자료 첨부 (공공누리 제1유형)
원자층 두께의 2차원 반도체는 기존 연산 회로 위에 반도체를 더 쌓아 올려 칩 성능을 높이고 전력 소모를 줄일 수 있는 차세대 소재로 꼽힌다. 다만 여러 곳에서 제각각 자란 결정이 만나면 원자 배열이 어긋난 경계가 생겨 전자 이동을 방해하고 반도체 품질이 떨어진다. 미리 정한 영역에서만 반도체를 키우는 기존 '선택성장' 기술도 영역 안에서 결정핵이 생기는 위치와 개수는 확률에 맡겨져 있었다.
연구팀은 성장 영역을 둘러싼 산화하프늄 등 산화물 장벽에서 나오는 산소 성분이 이황화몰리브덴의 결정핵 형성을 억제한다는 점에 주목했다. 이 억제 작용은 장벽에 가까운 가장자리에서 강하고 중앙에서는 약한데, 이 차이를 이용해 성장 영역 중앙에서 하나의 결정핵만 생기도록 유도했다. 이 결정이 옆으로 자라면 결정 경계 없이 하나로 이어지는 단결정이 된다.
연구팀은 400개 실험 패턴 가운데 99% 이상에서 중앙에 이황화몰리브덴 단결정을 하나씩 형성하는 데 성공했다고 밝혔다. 과기정통부는 성장 영역을 정하는 데서 나아가 성장이 시작되는 위치까지 설계할 수 있게 됐다는 점에 의미가 있다고 설명했다.
과기정통부는 이 기술이 회로 설계에 맞춰 필요한 위치에 고품질 반도체를 직접 키우는 제조 기술로 발전하면 차세대 소자를 여러 층으로 쌓는 적층 공정의 기반이 될 것으로 기대된다고 밝혔다. 연산 처리부와 메모리를 수직으로 가깝게 배치하면 데이터 이동에 드는 시간과 에너지를 줄여 데이터센터 전력 부담을 덜고 AI 서비스 응답 시간을 단축하는 데 도움이 될 것이라는 설명도 덧붙였다.
KAIST 강기범 교수는 2차원 반도체 성장 과정에서 결정이 어디에서 시작될지를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 있다고 밝혔다. 과기정통부 연구개발정책실장은 연구자들의 창의적인 연구를 이어가도록 지원을 아끼지 않겠다고 말했다.
