[서울=뉴시스]심지혜 기자 = 국내 연구진이 차세대 인공지능(AI) 반도체의 핵심 소재인 '2차원 반도체'를 원하는 위치에서 정확하게 키워내는 기술을 개발했다. 반도체의 성장 위치와 개수를 마음대로 조절할 수 있게 되면서, 초고집적·초저전력 AI 반도체 상용화에 한 발 다가섰다는 평가다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술원(KAIST) 강기범 교수와 울산과학기술원(UNIST) 김병조 교수, 한양대 김우희 교수, 티디에스이노베이션 등이 참여한 공동연구팀이 산화물 장벽에서 나오는 화학 성분을 이용해 2차원 반도체 결정의 생성 위치를 정밀하게 제어하는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처'에 게재됐다.

2차원 반도체 소재는 원차층 수준으로 두께가 얇다. 기존 연산 회로 위에 소자를 여러 층으로 쌓을 수 있어 AI 칩의 성능을 높이고 전력 소모를 줄일 수 있는 차세대 소재로 주목받는다.

반도체 결정은 원자들이 모여 만든 작은 '결정핵'에 원자가 계속 붙으면서 성장이 시작된다.

그동안에는 성장 영역을 조절할 수는 있어도 정확한 시작 위치를 제어하는 것은 어려웠다. 여러 결정이 각기 다른 위치에서 자라다 서로 맞닿으면 원자 배열이 어긋나는 경계가 생기고 이 경계가 전자의 이동을 방해해 반도체 성능과 균일성을 떨어뜨릴 수 있다.

기존에도 미리 정한 영역에서 결정을 자라게 하는 선택성장 기술이 있었지만, 정호가히 어디에 생길지는 확률에 맡겨져 있었다. 영역은 정하더라도 내부 결정핵 위치까지는 정할 수 없었다.

연구팀은 성장 영역을 둘러싼 산화물 장벽에서 나오는 산소 성분이 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂) 결정핵 생성을 억제한다는 점에 주목했다. 이는 장벽과 가까운 가장자리에서는 억제 효과가 강하고 장벽에서 먼 중앙에서는 상대적으로 약하다는 차이를 이용했다.

이를 통해 성장 영역 중앙에서 하나의 결정핵이 형성되도록 유도했다. 그 결과 여러 결정이 맞닿는 경계 없이 하나로 이어지는 단결정으로 성장했다.

연구팀은 400개 실험 패턴 가운데 99% 이상에서 중앙에 하나의 이황화몰리브덴 단결정을 형성하는 데 성공했다.

반도체 소재가 자라는 영역을 정하는 데서 그치는 게 아닌, 성장이 시작되는 위치까지 설계할 수 있게 된 것이다.

향후에는 회로 설계에 맞춰 필요한 위치에서 고품질 반도체 소재를 직접 성장시키는 제조 기술로 발전할 수 있다. 이를 통해 차세대 반도체 소자를 여러 층으로 쌓는 적층 공정의 기반 기술로 활용될 것으로 기대된다.

특히 이러한 적층형 반도체 기술을 통해 연산 처리 부분과 메모리를 수직으로 가깝게 배치할 경우 데이터 이동에 드는 시간과 에너지를 줄일 수 있다. 이를 통해 데이터센터 전력 부담을 완화하고 AI 서비스 응답 시간을 단축하는 데도 도움이 될 전망이다.

강기범 국과학기술원 교수는 "이번 연구를 통해 2차원 반도체 성장 과정에서 결정이 어디에서 시작될지를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 가능성을 확인했다"며 "앞으로는 이러한 원천기술을 바탕으로 2차원 반도체를 실제 반도체 제조 공정에 적용하고, 궁극적으로는 연산과 메모리를 수직으로 집적하는 차세대 AI 반도체 기술로 발전시킬 것"이라고 말했다.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 “이번 성과는 반도체 소재의 형성 원리를 탐구하는 기초연구와 이를 활용한 원천기술 개발을 통해 반도체 제조 공정의 새로운 해법을 제시한 사례"라고 평가했다.

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