▲ 친환경 용매 기반 2차원 반도체 소재의 직접 패터닝 공정과 해당 공정으로 제작된 반도체 소자(출처: UNIST)

국내 연구진이 친환경 용매를 기반으로 기판에 2차원 반도체 소재 회로를 그려 낼 수 있는 기술을 개발해 차세대 반도체 칩 상용화에 기여할 전망이다.

UNIST는 화학과 김봉수 교수팀이 연세대학교 조정호, 강주훈 교수팀과의 공동 연구를 통해 친환경 용매에 이황화몰리브덴 같은 2차원 반도체 소재와 가교제를 함께 넣어 기판 위에 직접 패터닝하는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

2차원 반도체 소재는 종이처럼 층상구조를 가진 소재 종류다. 반도체 칩의 집적도를 높이고, 전력 소모를 줄일 수 있을 것으로 기대되는 소재지만, 기존 반도체 공정으로는 민감한 2차원 소재를 손상 없이 잘 가공해 회로 형태로 찍어내기 힘들었다.

연구팀이 개발한 기술은 증착이나 식각과 같은 고온, 화학약품 처리 공정을 거치지 않고 2차원 반도체 소재로 된 회로를 직접 그려낼 수 있다. 친환경 알코올성 용매에 2차원 나노소재와 가교제를 섞어 회로를 그린 뒤, 자외선만 쪼여 주면 된다. 가교제가 자외선을 받으면 딱딱하게 굳어 나노 소재를 회로 형태로 고정시키며, 회로를 제외한 가교제는 물로 씻어 쉽게 제거 할 수 있다.

2차원 소재를 균일하게 분산시키는 친환경 용매와 이 용매에 잘 녹는 가교제를 찾아내는 것이 공정 기술 개발의 관건이었다. 연구팀은 정량 분석 기법을 통해 용매로는 이소프로판올을 선택하고, 알코올성 용매에 잘 녹지 않는 아자이드 가교제의 화학 구조를 변경해 이소프로판올에 잘 녹도록 설계했다.

새 공정으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터는 △전자 이동도 20.2 cm²/V·s △임계전압 2.0 V △on·off 전류비 2.7×106을 기록했다. 49개 트랜지스터를 배열한 어레이에서도 개별 트랜지스터 간 성능 편차 없이 60일 이상 안정적으로 동작했다.

또한 p형과 n형 2차원 소재를 동시에 하나의 기판 위에 패터닝해 NOT·NAND·NOR 논리회로와 SRAM 제작에도 성공했다. 이는 공정 기술의 상용화 가능성을 입증하는 성과다.

김봉수 교수는 “EL-QD 디스플레이 제작에 쓰이는 가교제 기반 자외선 패터닝 기술을 2차원 반도체 소재로 확장할 수 있음을 입증한 연구”라며, “2차원 반도체 소재를 기반으로 한 차세대 저전력, 고속 연산 반도체 칩 개발에 도움이 될 것”이라고 밝혔다.