수백도 열처리 없이 반도체 적층…KAIST, 150℃ 저온공정 개발

반데르발스 표면서 텔루륨 전구체 확산 유도

트랜지스터·광전자소자 제작

차세대 이종집적 가능성 확인

확산 유도형 에피택셜 원자층증착법 이미지. ⓒKAIST

수백도의 열처리 없이 150℃에서 차세대 반도체 소재를 결정 방향에 맞춰 쌓는 기술이 개발됐다. 얇고 열에 민감한 반도체 소재의 손상과 계면 변형을 줄이면서 서로 다른 기능의 소재를 한 칩에 적층할 가능성을 넓혔다.

KAIST는 서준기 생명화학공학과 교수 연구팀이 송봉근 한양대 교수팀, 이모 한 미국 라이스대 교수팀과 원자층증착법(ALD)을 이용한 ‘확산 유도형 에피택셜 원자층증착법’을 개발했다고 27일 밝혔다.

반데르발스 소재는 원자층 사이의 결합력이 약해 종이처럼 얇게 분리할 수 있는 2차원 반도체 소재다. 서로 다른 소재를 겹칠 수 있어 인공지능(AI) 반도체와 초저전력 소자의 후보로 꼽히지만, 표면 반응성이 낮아 새로운 반도체를 일정한 결정 방향으로 성장시키기 어렵다. 온도를 낮추면 원자가 불규칙하게 자라는 문제도 있었다.

연구팀은 반응성이 낮은 표면 특성을 역으로 이용했다. 텔루륨(Te) 전구체가 반데르발스 소재 표면을 이동하며 에너지상 가장 안정된 위치를 찾아가도록 유도했다.

그 결과 150℃에서도 텔루륨이 아래층의 원자 배열을 따라 질서 있게 자라는 에피택시 성장을 구현했다. 전자현미경과 광학·구조 분석에서는 결정 방향이 일정하고 두 소재 사이의 계면 왜곡이 낮게 유지된 것으로 나타났다.

연구팀은 이셀레늄화텅스텐(WSe₂), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이셀레늄화레늄(ReSe₂), 운모 등에도 기술을 적용했다. 제작한 텔루륨 박막으로 전류를 제어하는 트랜지스터와 빛을 감지하거나 내보내는 광전자소자도 만들었다. 산업용 양산성과 대면적 공정 적용 여부는 후속 검증이 필요하다.

이번 연구는 김창환 박사과정이 제1저자, 서 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 7월 24일자에 게재됐다.

서 교수는 “이번 연구는 화학적으로 반응성이 낮은 반데르발스 표면 특성을 역으로 활용해 저온에서도 손상 없는 고품질 에피택시 성장이 가능함을 증명한 성과”라며 “열적 부담을 줄이면서 서로 다른 반도체 소재를 한 칩 위에 자유롭게 얹는 차세대 이종집적 공정의 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.