중국, ‘황금 반도체’ 꿈 이룬다…5cm 인듐셀레늄 웨이퍼로 실리콘 시대 넘봐

최근 인공지능(AI)과 첨단 전자산업에서 차세대 반도체의 필요성이 커지는 가운데, 중국 연구진이 ‘황금 반도체’라 불리는 인듐셀레늄(Indium Selenide, InSe)의 산업 규모 생산을 세계 최초로 현실화했다는 연구가 발표됐다.

해당 연구는 지난 5월 10일 미국 학술지 ‘사이언스(Science)’에 공개됐으며, 아이뉴스 등이 지난 27일 보도했다.

국제적으로 실리콘(Si)은 반세기 이상 반도체 시장을 지배해 왔으나, 물리적 한계와 발열·전력 소모 문제로 차세대 칩 개발의 대체 소재 경쟁이 치열해지는 양상이다. 업계에서는 인듐셀레늄이 실리콘을 넘어서는 성능과 효율성을 지닌 소재로 주목받아 왔다.


북경대와 인민대학교 공동 연구팀(책임저자 류카이후이 교수 등)은 인듐과 셀레늄 원자의 1대 1 비율(원자비)을 대량생산 공정에서 정밀하게 유지하는 데 성공했다고 밝혔다. 기존 방식은 미세한 원자비 오차로 전자 이동성 저하, 물성 불균일 등의 문제를 안고 있었다. 이에 대해 류카이후이 교수는 “생산 과정에서 인듐과 셀레늄의 이상적인 1:1 비율을 정확히 유지하는 것이 주된 기술적 난점이었다”고 연구 발표에서 설명했다.
연구팀은 액체 인듐을 활용한 밀봉 가열법을 새롭게 도입했다. 비정질 인듐셀레늄 필름을 고체 인듐과 함께 밀폐된 공간에서 가열하자, 기화된 인듐 원자가 필름 가장자리에 인듐이 풍부한 액체 계면을 형성했다. 이 계면의 자기조절 특성을 이용해, 대형 결정을 성장시키는 과정에서도 원자비 균형이 자연스럽게 유지됐다. 이 혁신적 방식을 통해 연구진은 5cm(2인치) 크기의 균일한 인듐셀레늄 단일 웨이퍼를 제작, 실제 해당 웨이퍼 위에 고성능 트랜지스터 대량 어레이를 직접 구현하는 데 성공했다.

공저자인 북경대 키우 쳉왕(Qiu Chenguang) 연구원은 “이번에 제작된 인듐셀레늄 트랜지스터는 집적회로에 바로 적용 가능한 수준까지 진전됐다”고 밝혔다.


업계에서는 인듐셀레늄이 우수한 전자 이동도(실리콘 대비 2배 이상), 낮은 전력 소모, 구조적 안정성 등에서 기존 실리콘 반도체를 대체할 유력 소재라는 평가가 나오고 있다. 특히 인공지능, 5세대(5G) 이동통신, 고집적 센서, 양자 컴퓨팅 등 신기술 적용에 신속히 연결될 수 있을지 시장의 관심이 커지고 있다.

이번 연구결과에 관해 ‘사이언스’ 측은 “기존 상용화의 가장 큰 장애였던 대량 고품질 생산 난제를 해결했다”고 설명했다. 다만, 실제 소비자 전자제품과 데이터센터, 신형 프로세서에 인듐셀레늄 반도체가 탑재되기까지는 대량생산 공정 최적화와 추가적인 양산 검증이 필요한 것으로 알려졌다.

시장참여자들은 중국의 이번 개발로 미국, 유럽, 일본 등 주요국의 차세대 반도체 소재 경쟁이 한층 가속화될 것으로 보고 있다.


박정한 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com