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[IT뉴스]2D 반도체 결정, 원하는 자리에서 하나만 성장 제어…적층형 AI반도체 기반

온카뱅크관리자

2026-10-08 11:37:25

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 <img alt="산소 성분이 결정 생성을 억제하는 '에칭 플럭스'로 작용해 2차원 반도체가 정해진 한 지점에서만 자라기 시작하도록 제어하는 원리의 개념도. 강기범 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/08/dongascience/20261008113543995kbxj.png" data-org-width="680" dmcf-mid="ZsYgGWJ6RA" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/08/dongascience/20261008113543995kbxj.png" width="658">
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 산소 성분이 결정 생성을 억제하는 '에칭 플럭스'로 작용해 2차원 반도체가 정해진 한 지점에서만 자라기 시작하도록 제어하는 원리의 개념도. 강기범 교수 제공
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 국내 연구팀이 2차원(2D) 반도체 결정이 자라는 위치를 지정해 하나의 결정만 자라도록 정밀 제어하는 기술을 개발했다. 응답 지연시간과 전력 소모를 낮추는 차세대 적층형 인공지능(AI) 반도체 기반 기술로 주목받는다.
 과학기술정보통신부는 강기범 KAIST 신소재공학과 교수팀이 김병조 울산과학기술원(UNIST) 교수, 김우희 한양대 교수, 티디에스이노베이션 등이 참여한 공동연구팀이 새로운 2차원 반도체 소자 성장 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 연구결과는 7일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개됐다. 티디에스이노베이션은 강 교수가 공동 대표로 있는 반도체 딥테크 기업이다.
 원자층 수준으로 두께가 얇은 2차원 반도체는 연산 회로 위에 반도체를 더 쌓아 AI 칩 성능을 극대화하고 전력 소모를 줄일 소재로 주목받는다. 기존 실리콘 반도체의 집적 한계를 넘어설 기술로 평가된다.
 실제 칩 제조공정에 적용하려면 웨이퍼 위의 원하는 위치에 품질이 균일한 2차원 반도체 결정을 생성하는 것이 핵심이다. 여러 지점에서 결정이 무작위로 성장하기 시작하면 서로 다른 결정이 만나 결정 배열 방향이 어긋난 경계부인 '결정립계'가 생긴다. 결정립계는 전자 이동을 방해해 전기적 특성과 소자 균일성을 떨어뜨리는 원인이 된다.
 미리 정한 영역에서만 반도체 결정이 자라도록 하는 선택성장 기술은 기존에도 있었지만 결정핵이 정확히 어디에 생길지는 사실상 확률에 맡기는 상황이었다. 얻을 수 있는 단결정의 크기와 정밀도에 한계가 있다는 뜻이다.
 연구팀은 성장 영역을 둘러싼 산화하프늄(HfO2) 등의 산화물 장벽에서 나오는 산소가 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2)의 결정핵 형성을 억제한다는 점에 주목했다. '에칭 플럭스(etching flux)'로 불리는 억제 작용은 장벽에 가까운 가장자리에서 강하고 장벽에서 먼 중앙에서 약하게 나타난다.
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 <img alt="2차원 반도체 적층 소자와 웨이퍼 이미지. 티디에스이노베이션 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/08/dongascience/20261008113545272zaip.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="50iUnJtWnj" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/08/dongascience/20261008113545272zaip.jpg" width="658">
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 2차원 반도체 적층 소자와 웨이퍼 이미지. 티디에스이노베이션 제공
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 연구팀은 에칭 플럭스 차이를 이용해 성장 영역 중앙에 결정핵이 하나만 형성되도록 유도했다. 실험 결과 영역 가운데에서 하나의 핵이 생겨나 다른 결정과 맞닿는 경계 없이 하나의 단결정으로 성장했다. 연구팀은 400번의 실험 중 99% 이상에서 중앙에 하나의 이황화몰리브덴 단결정을 형성하는 데 성공했다.
 이번 연구성과는 차세대 반도체를 여러 층으로 쌓는 적층 공정의 기반이다. 적층형 반도체 기술로 연산 처리부와 메모리를 수직으로 근접 배치하면 데이터 이동에 드는 시간과 에너지를 줄일 수 있다.
 강 교수는 "2차원 반도체 성장 과정에서 결정이 어디에서 시작될지 정밀 제어할 가능성을 새로 확인했다"며 "원천기술을 바탕으로 2차원 반도체를 실제 반도체 제조 공정에 적용하고 궁극적으로 연산부와 메모리를 수직으로 집적하는 차세대 AI 반도체 기술로 발전시키고자 한다"고 말했다.
 향후 웨이퍼 규모의 균일성 확보와 소자·회로 수준의 동작 및 신뢰성 검증이 필요하다. 티디에스이노베이션은 연구성과를 자체 장비, 소재, 공정 기술과 결합해 웨이퍼 전반에 적용할 수 있는 제조기술로 확장할 계획이다.
 티디에스이노베이션은 "에이전틱 AI와 피지컬 AI가 확산될수록 빠른 응답과 전력 효율을 함께 확보하는 것이 중요해진다"며 "고품질 2D 단결정을 원하는 위치에 균일하게 형성하고 연산부와 메모리를 더 가깝게 집적하는 차세대 반도체 공정으로 발전시켜 나가겠다"고 밝혔다.
 &lt;참고 자료&gt; - doi.org/10.1038/s41586-026-11095-1
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 <img alt="윗줄 왼쪽부터 박정원 KAIST 연구원, 김지윤 석사과정생, 강수민 연구원, 오지은 한양대 석박통합과정생, 선우영민 UNIST 석박통합과정생. 아랫줄 왼쪽부터 강기범 KAIST 교수, 김우희 한양대 교수, 김병조 UNIST 교수. 과학기술정보통신부 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/08/dongascience/20261008113546540kxvb.png" data-org-width="680" dmcf-mid="99plbqsAdP" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/08/dongascience/20261008113546540kxvb.png" width="658">
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 윗줄 왼쪽부터 박정원 KAIST 연구원, 김지윤 석사과정생, 강수민 연구원, 오지은 한양대 석박통합과정생, 선우영민 UNIST 석박통합과정생. 아랫줄 왼쪽부터 강기범 KAIST 교수, 김우희 한양대 교수, 김병조 UNIST 교수. 과학기술정보통신부 제공
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 [이병구 기자 2bottle9@donga.com]
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