재료연, 350℃서 2차원 반도체 웨이퍼 10장 동시 제작

부산대와 공동 개발…소재 옮기는 공정 없이 트랜지스터 200개 제작
기존 실리콘 반도체 위에 쌓는 3차원 적층 기술로 확장 추진

왼쪽부터 한국재료연구원 김용훈 책임연구원, 김지우 선임연구원, 부산대 이승기 교수, 한국재료연구원 강성모 석사후연구원, 정석진 박사후연구원. 한국재료연구원 제공

한국재료연구원(재료연)이 350℃에서 4인치 웨이퍼 10장에 2차원 반도체를 동시에 형성하는 기술을 개발했다. 웨이퍼에 만든 반도체 소재를 다른 기판으로 옮기는 과정 없이 트랜지스터까지 제작했다.

재료연은 지능형반도체재료연구센터 김용훈·김지우 박사 연구팀이 부산대 이승기 교수 연구팀과 공동으로 이 같은 저온 제조 공정을 개발했다고 4일 밝혔다.

2차원 반도체는 원자 몇 개 층 수준으로 얇아 좁은 면적에 소자를 집적하는 데 유리하다. 다만 기존 일부 제조 공정은 600℃ 이상의 온도가 필요해 아래층에 이미 만든 소자가 손상될 수 있다. 합성한 소재를 다른 기판으로 옮기는 과정에서도 손상이나 오염이 생길 수 있다.

연구팀은 웨이퍼 표면에 산화주석을 얇게 입힌 뒤 350℃에서 황화수소 가스와 반응시켜 약 3나노미터(㎚) 두께의 이황화주석 반도체층을 만들었다. 이 공정으로 지름 약 10㎝인 웨이퍼 10장을 한 번에 처리했다.

연구팀은 웨이퍼 한 장당 400여 곳에서 소재 특성을 측정해 균일성을 살폈다. 웨이퍼 10장에서 제작한 트랜지스터 200개를 평가한 결과, 소자를 켰을 때와 껐을 때의 전류량은 평균 약 30만 배 차이가 났다.

연구팀은 후속 연구에서 기존 실리콘 반도체 위에 2차원 반도체를 직접 쌓을 수 있는지 검증할 계획이다. 이번 연구 결과는 지난 7월 1일 영국왕립화학회 국제학술지 '나노스케일'에 게재됐으며, 학술지 뒷표지로 선정됐다.