왼쪽부터 한국재료연구원 김용훈 책임연구원, 김지우 선임연구원, 이승기 부산대학교 교수, 한국재료연구원 강성모 석사후연구원, 정석진 박사후연구원.
한국재료연구원(KIMS) 연구팀이 350℃에서 4인치 웨이퍼 10장에 2차원 반도체를 동시에 형성하고 트랜지스터까지 제작하는 배치형 공정 기술을 개발했다.
김용훈·김지우 한국재료연구원 지능형반도체재료연구센터 연구팀과 이승기 부산대 교수 연구팀이 공동으로 수행했다.
연구팀은 웨이퍼 표면에 산화주석(SnOx)을 얇게 형성한 뒤 350℃에서 황화수소(H₂S) 가스와 반응시켜 약 3나노미터(nm) 두께의 2차원 반도체 이황화주석(SnS₂)으로 변환했다.
이 공정은 지름 약 10㎝인 4인치 웨이퍼 10장을 한 번에 처리할 수 있다. 별도의 전사 공정 없이 형성된 2차원 반도체 위에 트랜지스터를 직접 제작할 수 있어 제조공정을 줄일 수 있다는 게 연구팀 설명이다.
연구팀은 웨이퍼 한 장당 400여 곳에서 소재 특성을 측정해 균일성을 확인했다. 또 웨이퍼 10장에서 트랜지스터 200개를 제작해 성능을 평가한 결과, 전류가 흐를 때와 차단될 때의 전류량이 평균 약 30만 배 차이를 보였다.
연구팀은 이 기술을 기존 실리콘 반도체 위에 새로운 반도체를 쌓는 3차원 적층 반도체 공정으로 확장할 수 있을 것으로 보고 있다. 기존 일부 2차원 반도체 공정은 600℃ 이상의 온도가 필요하지만 이번 기술은 350℃에서 공정이 가능해 아래쪽 반도체의 열 손상을 줄일 수 있다는 설명이다.
공동 제1저자인 강성모·정석진 연구원은 “2차원 반도체를 낮은 온도에서 여러 장 동시에 만들고 실제 전자부품까지 제작할 수 있는 기술을 확보했다”며 “향후 기존 반도체 소자와 수직으로 쌓는 집적 기술로 확장할 계획”이라고 말했다.
이번 연구는 국가과학기술연구회 연구사업과 한국재료연구원 기본사업, 한국연구재단 지원사업, 경상국립대학교 글로컬대학30 사업의 지원을 받아 수행됐다.
한편 연구 결과는 영국왕립화학회(RSC)가 발행하는 국제학술지 ‘나노스케일(Nanoscale)’에 7월 1일 게재됐으며 해당 학술지 뒷표지로 선정됐다.