실리콘 기반 반도체 기술이 성능 한계에 도달함에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 소재 개발이 요구되는 상황이다. 우수한 물리적‧전기적 특성을 지닌 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 그래핀, 흑린 등과 함께 차세대 반도체 물질로 각광받고 있다. 전 세계 연구실에서 경쟁적으로 이 소재를 연구하고 있지만, 아직 양산에 이르지는 못했다.

▲ 웨이퍼의 품질은 반도체의 성능을 결정한다. IBS 다차원 탄소재료 연구단은 차세대 반도체 소재를 이용해 고성능의 웨이퍼를 대면적으로 제조할 수 있는 원리를 규명했다. (출처: Wikimedia)

전이금속 디칼코게나이드의 상용화를 앞당길 핵심 원리가 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더 연구팀은 중국 연구진과 함께 전이금속 디칼코게나이드의 대면적 단결정 성장에 영향을 미치는 핵심 원리를 규명했다.

반도체를 피자에 비유한다면, 웨이퍼는 도우다. 도우의 상태가 피자의 맛에 결정적이듯, 웨이퍼의 품질은 반도체의 성능을 좌지우지한다. 이때 고성능의 웨이퍼를 만드는 데 주로 쓰이는 성장법이 ‘에피텍셜 성장’이다. 에피텍셜 성장의 핵심 기술은 기판에서 성장한 모든 작은 단결정이 균일하게 정렬되도록 즉, 단결정으로 만드는 것이다. 하지만, 전이금속 디칼코게나이드는 2가지 원소로 구성되어 있어 기판 위에서 성장할 때 결정의 방향이 무작위로 정해지는 문제가 있다.

공동연구진은 이번 연구에서 이론적 계산을 토대로 독특한 대칭구조를 가진 전이금속 디칼코게나이드 맞춤형 기판을 선택하는 원리를 제시하고, 이를 ‘이중결합 유도 에피텍셜 성장법’이라 이름 붙였다. 사파이어 원자를 계단형으로 배열한 기판에 이황화턴스텐(WS2) 입자를 증착하면, 계단 구조를 따라 만들어진 결정이 한 방향으로 정렬했다. 이렇게 핵 생성이 이뤄진 뒤, 핵을 중심으로 결정이 점차 성장해 최종적으로 기판과 같은 크기의 대면적 단결정을 이뤘다.

▲ 절연체 위에서 이황화텅스텐이 성장하는 모습

제1저자인 팅 청 연구원은 “‘이중결합 유도 에피텍셜 성장법’을 토대로 적절한 기판을 선택하면, 이론적으로 모든 2차원 재료를 대면적 단결정으로 성장시키는 것이 가능하다”고 설명했다. 실제로 연구진은 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 등의 전이금속 디칼코게나이드를 2인치 웨이퍼 크기의 대면적으로 제작하는 데 성공했다.

펑 딩(Feng Ding) 그룹리더는 “2차원 소재의 ‘선배 격’인 그래핀과 육방정계질화붕소(hBN)에 이어 전이금속 디칼코게나이드도 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작할 수 있게 됐다”며 “2차원 소재 분야의 역사에 남을 기념비적인 연구로, 고성능 전자 및 광학 소자 분야 발전을 견인할 것”이라고 말했다.

연구결과는 11월 16일 나노과학 분야 권위지인 ‘네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬