실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재 상용화가 크게 앞당겨질 전망이다. 국내 연구진이 2차원 반도체 소재(원자 두께로 얇은 소재)를 넓고 고르게 성장시키는 기술을 개발했기 때문이다. 이 기술로 합성된 전이금속 칼코겐 화합물은 반도체 소자 제작에 쓰일 수 있을 정도로 크고, 결정성이 우수했다. 

UNIST(총장 이용훈) 박혜성 교수팀과 성균관대학교(총장 신동렬) 강주훈 교수팀은 고체 원료만을 이용하던 기존 방식과 달리 액상 원료와 고체 원료를 함께 쓰는 방식으로 결정성(원자 배열의 규칙성)이 우수한 전이금속 칼코겐 화합물을 합성하는 기술을 개발했다. 액상원료를 쓰면 합성된 소재의 결정성이 떨어지는 문제를 촉진제로 해결했다. 

전이금속 칼코켄 화합물 차세대 반도체 소재로 주목받고 있지만 대면적 합성이 까다롭다. 고온에서 증기로 변한 고체 전구체(원료)로 합성하는 방식은 증기 농도가 불규칙해 동일한 품질의 박막을 여러 개 얻기 힘들고 합성 가능한 크기도 한계가 있다. 이 때문에 액체 원료(액상 전구체)를 이용한 방식이 주목을 받고 있지만 액체 원료를 쓸 경우 합성된 소재의 결정성과 같은 품질이 떨어지는 문제가 있다

연구팀은 액상 전이금속 원료를 기판위에 코팅해 증기 상태 칼코겐 원소와 반응 하도록 하는 방식을 썼다. 액상 원료 속 반응 촉진제(금속 할라이드)가 ‘칼코겐화’(chalcogenization) 화학 반응을 촉진해 결정성이 우수한 화합물을 쉽게 얻는다. 또 촉진제를 쓰면 화합물이 수직방향이 아닌 수평 방향으로만 성장해 하나의 얇은 층으로만 이뤄진 전이금속 칼코겐 화합물 합성이 가능하다. 

개발된 합성법은 전이금속 칼코겐 화합물의 종류에 관계없이 쓸 수 있다. 연구팀은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)과 같은 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se)과 같은 칼코겐 원소 조합을 바꿔 다양한 단층 전이금속 칼코겐 화합물을 합성해냈다. 

연구진은 합성된 반도체 박막을 이용해 반도체 소자를 제작하는 데도 성공했다. 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 박막으로 전계효과 트랜지스터(transistor)를 제작하고, 박막이 갖는 우수한 전기적 특성(전자이동도)을 확인했다. 

UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 “개발된 합성법은 상업화 가능한 큰 크기의 고성능·동일품질 2차원 반도체 소재를 생산 할 수 있는 기술 ”이라며 “2차원 소재 기반 전자소자 개발 및 상용화에 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다. 

이번 연구는 나노·재료 분야의 권위 학술지인 ‘ACS Nano’ 에 2월 23일자로 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 기초연구실지원사업의 지원을 통해 이루어졌다.
(논문명: High-Crystalline Monolayer Transition Metal Dichalcogenides Films for Wafer-Scale Electronics)

<용어 설명>

1. 전이금속 화합물 (transition metal compounds)
팔라듐 (Pd), 몰리브데넘 (Mo), 텡스텐 (W) 및 망간 (Mn)과 같은 전이금속이 다른 원소와 결합하여 생긴 화합물로, 일반적으로 다른 원소는 탄소 (C), 산소 (O), 황 (S), 셀레늄 (Se), 및 질소 (N)와 같은 비금속 원소이다.

2. 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition)
외부와 차단된 챔버 안에서 가스들이 열, 빛, 플라즈마 (plasma)와 같은 환경에 의해 반응하여 챔버 안에 존재하는 성장 기판 위에 고체 물질을 형성하는 방법을 지칭한다.

3. 칼코겐화 (chalcogenization)
전이금속 화합물 제조 과정에서 열처리로 인해 증기화된 전이금속 전구체와 칼코겐 전구체가 반응하여 전이금속 화합물이 형성되는 공정 단계를 지칭한다.

김한나 기자 다른기사 보기