국내 연구진이 반도체 결정 생성 위치를 정하고 그곳에서 하나의 결정만 자라도록 제어하는 기술을 개발해 차세대 적층형 인공지능(AI) 반도체 구현 기반을 마련했다.

과학기술정보통신부는 강기범 한국과학기술원(KAIST) 교수, 김병조 울산과학기술원(UNIST) 교수, 김우희 한양대 교수, 티디에스이노베이션 등이 참여한 공동연구팀이 2차원 반도체 결정 생성 위치를 정밀 제어하는 새로운 반도체 소재 성장 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

연구결과는 이날 최고 권위 국제학술지 '네이처'에 실렸다.

원자층 수준으로 얇은 '2차원 반도체 소재'는 기존 연산회로 위에 반도체를 더 쌓아 AI칩 성능을 극대화하고 전력 소모를 줄일 것으로 기대받고 있다.

이를 실제 활용하려면 필요한 위치에 균일 품질 반도체를 만들 수 있어야 하는데, 원자들이 모여 결정핵을 만들고 성장하는 과정에서 제각각 자라난 결정이 서로 만나며 원자 배열이 어긋나는 문제가 생겨난다.

이런 경계는 전자가 원활히 이동하는 것을 막아 품질과 성능을 크게 떨어트리는 한계로 작용해 왔다.

대신 미리 정한 영역에서만 반도체를 자라게 하는 '선택성장' 기술이 개발돼 왔지만 이것도 그 안에서 결정핵이 정확히 어디 생길지는 확률에 맡겨져 단결정 크기와 위치를 정밀하게 조절하기 어려웠다.

연구팀은 결정 성장 영역을 둘러싼 산화물 장벽에서 나오는 산소 성분이 2차원 반도체인 이황화몰리브덴의 결정핵 형성을 억제하는 점에 주목했다.

이 억제 작용은 장벽에 가까운 가장자리에서 강하고 먼 중앙에서는 약한 점에 주목해 성장 영역 중앙에 하나의 결정핵이 형성되도록 유도한 것이다.

이 결정은 경계가 없는 하나의 단결정으로 성장했으며, 400개 실험 패턴에서 99% 이상 이황화몰리브덴 단결정을 형성할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이번 발견이 회로 설계에 맞춰 필요한 위치에 고품질 반도체를 직접 성장시키는 제조 기술로 발전하면 차세대 반도체 소자를 여러 층으로 쌓는 적층 공정의 기반이 될 것으로 기대했다.

강 교수는 "원천기술을 바탕으로 2차원 반도체를 실제 반도체 제조 공정에 적용하고, 궁극적으로는 연산과 메모리를 수직으로 집적하는 차세대 AI 반도체 기술로 발전시킬 것"이라고 말했다.