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[초이스경제 홍인표 기자] 중국 과학자들이 2차원(2D) 소재 웨이퍼를 대량 생산할 수 있는 새로운 기술을 개발했으며, 이는 실리콘을 대체할 차세대 고성능 반도체 소재 개발에 중요한 전기를 마련한 성과로 평가된다고 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 17일 전했다.
 

반도체 칩이 지속적으로 고도화되면서 트랜지스터 크기는 실리콘 기반 기술의 물리적 한계에 근접하고 있다. 이에 따라 우수한 성능을 제공할 새로운 소재를 찾는 것이 전 세계적인 과제가 되고 있다.
 

몰리브덴 이황화물(MoS₂)과 같은 2차원 소재는 원자 단위의 초박막 구조, 높은 캐리어 이동도, 낮은 전력 소모 특성 덕분에 '포스트 무어의 법칙' 시대를 이끌 유력 후보로 꼽힌다. 그러나 상용화를 가로막는 핵심 난제는 넓은 면적에서 균일하고 고품질로 생산하는 것이 매우 어렵다는 점이었다.
 

중국 난징 동남대학교 왕진란(王金兰) 교수 연구팀은 난징대학교 왕신란(王欣然) 교수 연구팀과 협력해 이런 한계를 돌파한  중대한 기술을 확보했다고 SCMP는 전했다.
 

연구팀은 MoS₂ 결정화 과정에서 특정 단계가 높은 에너지를 요구해 성장 속도와 품질을 동시에 제한하는 '병목 구간'임을 발견했고, 산소를 도입하면 에너지 경로를 우회할 수 있다는 점을 밝혀냈다. 새로운 우회 방식은 'oxy-MOCVD'라고 이름 붙였으며, 이를 통해 사파이어 기판 위에 균일한 직경 150mm(6인치) 단결정 MoS₂ 박막을 성장시키는 데 성공했다.
 

실험 결과 성장 속도는 기존 금속유기화학기상증착(MOCVD) 기술을 사용했을 때보다 100배 이상 향상됐다. 6인치 단결정 기반 전계효과 트랜지스터(FET) 어레이의 전자 이동도는 MOCVD 기술 대비 10배 이상 증가했다.
 

연구팀은 논문에서 "이 접근법은 실험실 규모 기존 화학기상증착(CVD) 기술의 고품질과 이를 개량한 MOCVD 기술의 확장성을 연결하는 가교 역할을 한다"며 "2D 반도체의 대면적·균일 성장이라는 핵심 난제를 해결했다"고 밝혔다.
 

해당 연구는 지난달 29일자 국제 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
 

이번 성과는 실리콘 기반 미세화가 한계에 도달하는 상황에서 2D 반도체의 산업화 가능성을 크게 높였다는 점에서 주목된다. 대면적·고품질·고속 성장이라는 세 가지 조건을 동시에 충족했다는 점에서, 향후 AI 칩·저전력 고성능 전자소자·차세대 집적회로(IC) 기술로 이어질 가능성이 있다고 SCMP는 강조했다.
 

포스트 실리콘 시대를 향한 경쟁이 본격화되는 가운데, 2D 반도체 웨이퍼 대량 생산 기술이 글로벌 반도체 패권 구도에 어떤 변화를 가져올지 주목된다.