2D 반도체 결정핵의 시작 위치를 가운데로 고정했다

후보 상태: BACKLOG_CANDIDATE · 2026-10-07 Top 2

#한 문장 결론

반도체를 정해진 구역에 자라게 하는 것과, 그 구역의 정해진 한 점에서 자라기 시작하게 하는 것은 다르다. 이번 연구는 가장자리에서 강한 식각 작용을 이용해 가운데에 결정핵 하나가 남도록 했다. 이를 식각 흐름을 이용한 단일 중심 핵생성(EF-SCN)이라고 부른다. MoS₂는 몰리브데넘과 황으로 이루어진 얇은 반도체이며, 핵생성은 결정의 작은 씨앗이 처음 생기는 과정이다.

#기존 방식과 무엇이 다른가

영역 선택 성장(area-selective growth)은 재료가 자라야 할 구역을 지정한다. 하지만 구역을 정했다고 해서 결정의 씨앗이 생기는 좌표까지 정해지는 것은 아니다. 여러 씨앗에서 자란 결정이 만나면 서로 다른 결정이 맞닿는 경계, 즉 결정립계가 생길 수 있다. 같은 크기의 영역을 반복해서 만들어도 결과가 달라질 수 있는 이유다.

이 연구에서는 산화하프늄(HfO₂) 또는 산화지르코늄(ZrO₂) 장벽에서 나온 산소에 의한 식각 작용이 가장자리의 핵생성을 억제한다. 식각은 이미 생긴 재료를 깎아내는 작용이다. 성장만 강하게 하는 대신, 가장자리에서 성장을 방해하는 작용을 함께 설계했다. 가운데로 갈수록 억제 영향이 약해지므로, 성장 조건과 영역 크기를 맞추면 가운데만 핵이 생길 수 있는 구역으로 남는다.

#원본 그림으로 읽기: 어디에서 시작해 어떻게 자랐나

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작은 표기는 그림의 원문 링크에서 확대할 수 있다.

먼저 a의 세 경우를 왼쪽부터 비교하자. 한 영역에 씨앗이 여러 개 생기는 경우, 하나만 생기지만 위치는 달라지는 경우, 하나가 가운데 생기는 경우다. ‘하나’라는 조건과 ‘가운데’라는 조건이 별개라는 것을 보여 준다. 이어 b·c에서는 전체 성장 영역과 실제로 핵이 생길 수 있는 영역의 폭을 비교하면 된다.

d·e는 배열에서 초기와 성장 후를 관찰한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. SEM은 전자빔으로 표면을 살펴보는 장비다. 여기서 검게 보이는 부분이 단결정 MoS₂ 조각이며 주변의 더 짙은 회색 부분은 HfO₂ 장벽이다. f·g를 확대하면 가운데의 작은 핵과, 옆으로 자라 영역을 채운 결정의 차이를 볼 수 있다. 이 정지 사진들을 같은 한 점의 연속 촬영 영상으로 해석해서는 안 된다.

사진이 직접 보여 주는 것은 결정이 시작되는 위치와 성장 형태다. 트랜지스터가 몇 개나 정상 동작했는지, 전자가 얼마나 잘 이동하는지는 별도의 전기적 측정으로 확인해야 한다.

#먼저 구분할 것: 위치, 결정 방향, 소자 성능

결정핵은 결정이 자라기 시작하는 작은 씨앗이다. 영역을 골라 성장시킨다는 것은 ‘어느 구역에 재료를 놓는가’이고, 중심에서 한 번만 핵을 만든다는 것은 ‘그 구역 안의 어디에서 시작하는가’다. 하나의 핵에서 자란다는 사실과 여러 구역의 결정 방향이 모두 같다는 사실도 다르다. 논문은 비정질 SiO₂ 위에서는 한 구역 안의 결정성이 확인되더라도 구역 사이의 결정 방향은 무작위일 수 있다고 설명한다.

#430°C와 10μm를 한 조건으로 합치지 않기

저온 결과의 공개 Extended Data Fig.4는 패널 a·b에서 ZrO₂ 장벽을 사용한 430°C 중심 핵생성을 보여 준다. 패널 c·d는 별도의 500°C 결과이며, 약 8μm 단결정 조각과 10μm 영역을 채운 성장을 구분한다. 따라서 ‘430°C에서 10μm 단결정과 최고 이동도를 모두 달성했다’고 한 문장으로 합쳐 쓰지 않는다.

본문은 HfO₂ 장벽의 대표 조건에서 2cm 기판을 16개 구역으로 나누고 구역마다 25개 패턴, 총 400개 위치의 단결정 수율이 99%를 넘었다고 보고한다. 이는 조사한 패턴의 결정 성장 결과다. 전체 트랜지스터의 합격률이나 300mm 웨이퍼 전수 수율은 아니다.

#왜 너무 작아도, 너무 커도 문제가 되나

장벽에서 나온 식각 영향은 가장자리에서 강하고 안쪽으로 약해진다. 성장 영역이 너무 작으면 중앙까지 억제되어 핵이 생기지 않을 수 있다. 너무 크면 살아남을 수 있는 중앙 영역이 넓어져 여러 핵이 생길 수 있다. 따라서 ‘작을수록 좋다’가 아니라, 성장과 식각이 경쟁하는 조건에서 하나만 남는 구간을 찾는 문제다.

논문은 이 경쟁을 산소 농도와 순 핵생성률로 설명하고, 확산–반응 모형과 운동학적 몬테카를로 모사로 0개·1개·여러 개의 핵생성을 비교한다. 여기서 보충 Note 3의 기호 R_growth는 이미 생긴 결정의 옆방향 성장 속도가 아니라, 핵을 만드는 방향의 반응률을 뜻한다. 핵이 처음 생기는 단계와 그 핵이 이후 커지는 단계를 나누어야 식의 의미를 제대로 읽을 수 있다.

보충 Note 1은 삼각형 모양만 보고 단결정이라고 판단하지 않았다. 회절, 원자 수준 영상과 여러 위치의 결정 방향 비교를 추가로 제시한다. 반대로 한 조각 안의 방향이 일관된다는 결과와 배열 전체의 방향이 정렬됐다는 결과는 별개의 검증이다. Note 2는 장벽 물질의 이름만 같아도 성장 방식·산소 공급 상태에 따라 억제 작용이 달라질 수 있음을 설명한다. 이 때문에 공정 조건을 생략한 채 ‘HfO₂를 쓰면 언제나 가운데 핵 하나가 생긴다’고 일반화할 수 없다.

#확인 질문

단결정 수율 99% 초과와 최고 이동도 117cm²/(V·s)는 같은 분모의 지표일까? 아니다. 하나는 성장 패턴의 결정성, 다른 하나는 특정 소자의 전하 이동 특성이다. 소자 배열의 균일성은 별도 분포로 읽어야 한다.

#최고값 하나보다 배열의 평균과 편차를 함께 읽기

이동도는 전기장을 걸었을 때 전하가 얼마나 잘 움직이는지를 나타내는 지표다. 하지만 가장 잘 나온 소자의 이동도만으로 여러 소자가 비슷하게 동작하는지 알 수는 없다. 최고 성적과 학급 전체의 성적 분포가 다른 질문인 것과 비슷하다. 이 비유는 최고값·평균·편차의 차이만 설명하며, 소자의 동작 원리가 성적과 같다는 뜻은 아니다.

보충자료 Note 8의 별도 실험은 2cm SiO₂ 기판 위의 후면 게이트 트랜지스터 50개를 조사했다. 채널은 전류가 흐르는 반도체 구간이며, 이 배열의 채널 길이는 2.4μm, 폭은 5μm였다. 소스와 드레인 사이 전압 1V에서 보고된 결과는 다음과 같다.

상대 표준편차(RSD)는 측정값이 평균 주위에서 흩어진 정도를 평균에 대한 비율로 나타낸 것이다. 작을수록 이 지표의 소자 간 차이가 작다는 뜻이다. 그렇다고 10.45%를 불량률로 읽거나, 모든 소자가 평균에서 정확히 그 비율 안에 들어간다고 해석하면 안 된다. 표의 전류 단위도 μA가 아니라 μA/μm다. 폭이 다른 소자를 비교할 수 있도록 채널 폭으로 나눈 값이므로 전류 자체와 구별해야 한다.

이 배열의 평균 8.56과 논문이 보고한 최고 이동도 117은 서로 다른 측정 묶음에서 나온 값이다. 둘의 차이를 곧바로 공정 성능의 감소율로 계산할 수 없다. 이 글에서 확인할 결론은 ‘높은 최고값도 보고했고, 별도의 50개 배열에서는 평균과 편차도 조사했다’는 데까지다. 조사한 50개가 기판의 모든 소자인지, 완성 칩의 합격률이 얼마인지는 이 결과만으로 알 수 없다.

확인 질문: 상대 표준편차가 낮으면 이동도도 반드시 높은가? 그렇지 않다. 평균은 성능의 수준을, 상대 표준편차는 그 평균에 비해 얼마나 흩어져 있는지를 알려 준다. 평균과 편차를 함께 보아야 ‘잘 동작하는가’와 ‘비슷하게 동작하는가’를 나누어 판단할 수 있다.

#가장 강한 증거

• single-crystal MoS₂ 규모: 최대 10μm
• 2cm substrate, 400 sites에서 99% 초과 single-crystal yield
• 저온 공정: 430°C에서도 centred nucleation
• FET field-effect mobility: 최대 117cm²/V·s
• 여러 transistor를 하나의 large common crystal에 통합
• aligned lateral heterostructure와 self-aligned contact 구조 시연

#모사는 무엇을 보여 주고, 무엇을 가정했나

보충 Note 7의 확산–반응 모사는 각 조건에서 서로 다른 난수 시작값 10개로 500회의 갱신을 수행했다. 여기서 500회는 실제 공정의 500초가 아니다. 확산 단계의 시간도 임의 단위로 주어져 있어 실험 시간으로 바로 바꿀 수 없다. 흡착·성장 확률을 바꾸며 핵이 0개·1개·여러 개 남는 경향을 비교하는 설명 모형이지, 실제 반응 장벽과 온도별 속도 상수를 처음부터 계산해 공정 시간을 예측한 모형은 아니다.

특히 모사에서는 생긴 모든 핵의 결정 방향을 처음부터 같게 지정했다. 그러므로 모사에서 합쳐진 결정의 방향이 같다는 모습을 방향 정렬이 저절로 발생한다는 독립 증거로 읽으면 안 된다. 실제 결정 방향에 대한 근거는 별도의 회절·원자 영상으로 판단해야 한다. 산소 흐름을 넣었을 때와 뺐을 때의 모사 비교는 중심 핵생성의 공간적 설명에 도움을 주지만, 모형에 이미 넣은 가정을 새로 입증하지는 않는다. [공식 보충자료 Note 7, PDF 35–39쪽; 텍스트 검토, 영상 자체는 미검토]

#가장 큰 한계

장벽은 산소를 무한히 공급하는 장치가 아니다. 보충 Note 4는 HfO₂의 산소가 소모되면서 위치 선택성이 약해지고, 나중에는 이미 자란 단층 위에서 이층 결정핵이 무작위 위치에 나타난다고 설명한다. 처음 핵 하나를 가운데에 만드는 조건과 오래 성장시켜도 그 선택성이 유지되는 조건은 다르다. 750°C에서 첫 10분 동안 산소 함량이 빠르게 감소한 관찰을 다른 온도의 모든 공정에 같은 시간표로 적용해서도 안 된다.

영역을 크게 만드는 일도 단순 확대가 아니다. 보충 Notes 5–6에서는 영역이 커지면 핵생성이 가능한 중앙 구역도 넓어져 여러 핵이 생기기 쉬워진다고 설명한다. 황 공급원 DES의 흐름은 핵생성 수를, 몰리브데넘 공급원 MHC의 흐름은 옆으로 커지는 속도를 주로 조절했다. 작은 영역은 억제가 너무 강해 핵이 하나도 안 생길 수 있고, 큰 영역은 억제가 약해 여러 개가 생길 수 있다. 따라서 영역 크기에 맞춘 공급 조절이 필요하다. 수십 μm 단결정으로의 확대는 충분한 옆방향 성장 속도를 확보한다는 조건부 전망이며, 그 크기에서 모두 같은 수율을 실증했다는 뜻은 아니다. [공식 보충자료 Notes 4–6, PDF 31–34쪽]

10μm crystal과 2cm substrate는 중요한 진전이지만 200–300mm wafer manufacturing을 의미하지 않는다. Growth window, barrier oxygen release, pattern geometry, precursor flow를 정밀하게 맞춰야 한다.

또 최대 mobility 117cm²/V·s는 특정 소자의 결과이며, 대규모 array 전체의 contact resistance·threshold variation·yield와 동일하지 않다.

저자 일부는 2D semiconductor materials·process·equipment 기업 TDS Innovation의 창업자·직원·이사 관계를 공개했다.

#왜 보존할 가치가 있나

2D electronics의 핵심 병목은 “좋은 flake를 만들 수 있는가”에서 “원하는 좌표에서 핵생성과 형상을 반복 제어할 수 있는가”로 이동하고 있다. EF-SCN은 growth 영역뿐 아니라 nucleus의 좌표 자체를 process variable로 만든다.

#재검토 트리거

• wafer-scale process demonstration
• foundry-compatible yield·variation 공개
• transfer-free CMOS integration
• multiple 2D material generalization
• independent replication

#출처

1. Park, J. et al., “Spatially deterministic nucleation of 2D semiconductors by etching flux,” Nature 658, 398–406, 7 October 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11095-1.