이차원 반도체 계면 병목 현상 돌파, 대만연구팀이 포스트 실리콘 시대의 새로운 기회를 열다

대만 국과회¹⁾는 보도자료 발표를 통해, 휴대전화, 컴퓨터, 심지어 미래의 인공지능 기반 스마트 기기까지 모두 더 빠른 연산 속도와 낮은 전력 소비량을 갖춘 반도체 칩을 필요로 할 것이라고 발표하였다. 하지만 기존의 실리콘 반도체 기술은 점차 물리적 한계에 다다르고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 전 세계 과학자들은 차세대 반도체 소재를 연구하고 있는데, 원자 두께에 불과한 「2차원 반도체」는 무어의 법칙을 이어가고 칩의 크기를 줄이면서 성능을 향상시키는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

국과회의 「차세대 미래지향적 반도체 기술 프로젝트」²⁾와 「대만 크리스탈 혁신: 차세대 반도체 소재 및 부품 통합을 위한 핵심 기술」³⁾ 프로젝트의 지원을 받아, 국립 양명교대⁴⁾ 전자물리학과 및 중앙연구원⁵⁾ 응용과학 연구센터의 장원하오(張文豪) 교수 연구팀은, TSMC의 Iuliana Radu 박사 연구팀, 그리고 국립 양명교대 반도체공학과 리쭝언(李宗恩) 교수와 함께 2차원 반도체가 오랫동안 직면해 온 「계면 문제」에 대한 해결책을 제시하였다. 그들은 고성능 단층 이황화몰리브덴(MoS2) 탑게이트 트랜지스터를 개발하는 데 성공했으며, 이 획기적인 연구 성과는 세계적인 학술지인 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 게재되었다.

2차원 반도체는 매우 얇다는 장점을 제공하지만, 칩 내에서 제대로 기능하기 위해서는, 해결해야 할 중요한 과제가 남아 있다. 전류를 제어하기 위해서는, 초박형 「게이트 유전체 층」을 표면에 증착해야 한다. 이는 마치 초박형 종이 위에 필름을 덧붙이는 것과 유사하다. 이 과정에서 종이 표면이 쉽게 손상되어 전자 이동이 방해받고(전자 산란) 소자 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 초박형 구조와 고속 전자 전송 사이의 균형을 맞추는 것은, 국제 반도체 산업계에 있어 항상 어려운 과제였다. 대만 산학 합동 연구팀의 혁신은, 새로운 소재를 찾는 데 있는 것이 아니라, 「에피택시 계면 엔지니어링」(epitaxial interface engineering)을 이용하여 이 「필름」의 구조를 재설계하는 데 있다.

연구팀은 초고진공 기술을 이용하여, 우선 MoS2 단층 표면에 초박형 알루미늄 층을 정밀하게 증착한 다음, 이를 산화시켜 두께가 약 0.42나노미터에 불과한 산화알루미늄 층을 형성했다. 이 층은 후속 물질 성장을 위한 고품질 기판 역할을 했다. 원자층 두께에 불과한 이 완벽한 인터페이스는 2차원 반도체와 유전체 층 사이의 품질을 대폭 향상시킬 뿐만 아니라 전자 전송 저항을 효과적으로 감소시켜 「초박형」과 「전도성」이라는 두 가지 핵심 특성을 성공적으로 모두 충족했다. 이 기술을 활용하여 연구팀은 트랜지스터를 개발했는데, 극히 작은 크기에도 불구하고 세계 최고 수준의 전도 성능을 보였다. 동시에 누설 전류가 매우 낮고 작동 안정성이 뛰어난 것을 입증했다. 이는 2차원 반도체 소자가 실제 응용 분야에서 상당히 중요한 잠재력을 가지고 있음을 보여주는 점이었다.

장원하오(張文豪) 교수는 2차원 반도체 분야의 미래 경쟁은 소재가 아닌 계면 엔지니어링에서 치열해질 것이라고 밝혔다. 이 기술의 가장 큰 가치는, 다양한 2차원 반도체 소재에 폭넓게 적용될 수 있는 플랫폼 기술을 구축하는 데 있다고 강조했다. 향후에는 더욱 빠르면서도, 저전력인 전자 부품이 개발될 것으로 기대되며, 이는 기존 반도체 공정과 완벽하게 통합되어, 「포스트 실리콘 시대」 칩 기술의 중요한 기초을 마련하고, 차세대 반도체 분야에서 대만의 혁신 역량과 국제 경쟁력을 다시 한번 입증할 것이다. (2026.08)

역주:
1)    중국어 정식명칭은 국가과학 및 기술위원회(國家科學及技術委員會), 영어명은National Science and Technology Council (국과회)
2)    원문「A世代前瞻半導體技術專案計畫」을 의역했다.
3)    원문「晶創臺灣：次世代半導體材料與元件整合關鍵技術」을 의역했다.
4)    중국어명은 國立陽明交通大學, 영어명National Yang Ming Chiao Tung University (양명교대)
5)    중국어명 中央研究院, 영어명Academia Sinica (중앙연구원)