이황화텅스텐-그래핀 이종구조 반도체. 기계연구원 제공한국기계연구원은 김형우 선임연구원 연구팀과 성균관대 김태성 교수 연구팀이 플라스마 장비를 이용해 국내 최초로 이종구조 4인치 반도체 웨이퍼(기판) 제작에 성공했다고 7일 밝혔다.
차세대 반도체 소자로 주목받는 '전이금속 칼고겐 화합물'(TMDC)을 기반으로 한 반도체로, AI(인공지능) 반도체로 활용할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
TMDC는 2차원 구조의 원자층 두께로 실리콘과 비슷한 성능을 내면서도 저전력으로 작동이 가능해 차세대 반도체 후보 물질로 불린다. 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐, 이셀레늄화몰리브덴 등이 있다.
연구팀은 플라스마 화학기상증착법(CVD·기판 위에 기체를 주입, 기판을 촉매로 해 박막을 성장시키는 방법) 장비를 이용, 두 가지 형태로 된 TMDC 기반의 이종구조 4인치 웨이퍼를 구현했다.
우선 그래핀(흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질)을 전사한 웨이퍼 위에 텅스텐 금속층을 1나노미터(㎚·1나노미터는 10억분의 1ｍ) 두께로 쌓아 올려 이황화텅스텐과 그래핀 이종구조를 구현했다.
또 이황화몰리브덴의 서로 다른 2개 형상을 결합, 금속-반도체 이종구조 박막으로 제작하는 데도 성공했다.
플라스마 합성 장비를 이용해 기존 수백 마이크로미터(㎛·100만분의 1ｍ)의 작은 크기로만 제작할 수 있었던 반도체 소자를 4인치 대면적으로 제작하는 데 성공했다.
김형우 선임연구원은 "AI반도체의 필수적인 특징인 저전력, 고성능을 갖췄다"며 "대량생산 가능성이 높아 AI반도체 성능 향상과 산업화에 기여할 것"이라고 말했다.
연구팀은 이번 이종구조 4인치 웨이퍼 제작 기술에 대해 미국과 국내 특허를 등록했다.