[지금은 과학] 초박막 반도체의 결함, 전극 물질이 치유한다

성균관대 연구팀, 황화구리-이황화몰리브덴 반도체 소재 시스템 제안

전자현미경으로 관찰한 이황화몰리브덴(MoS2) 소재의 자가치유현상. 왼쪽 사진에서 관찰되는 결함들이 황화구리(CuS)에서 공급된 황(S)에 의해 치유된 모습(오른쪽) [사진 및 설명=박상연]

[아이뉴스24 최상국 기자] 이황화몰리브덴(MoS2)은 차세대 2차원 반도체 소재의 하나로 주목받고 있다. 원자 한 층 두께의 초박막으로 반도체를 만들 수 있어 유연하고 투명한 반도체 소자 구현에 적합하다.

많은 연구자들이 이황화몰리브덴 소재의 반도체 소자 개발을 위해 노력하고 있지만 아직 상용화에 이르기까지는 갈 길이 멀다. 원자층 수준의 얇은 두께로 인해 반도체 소자 제작 공정에서 소재가 손상되기 쉽기 때문이다. 특히 전극과 반도체 계면에서 발생하는 결함은 소자 특성을 크게 떨어뜨린다.

성균관대학교 차승남 교수 연구팀은 이황화몰리브덴을 반도체 소자로 제작할 때 발생하는 결함을 전극 소재가 메꾼다는 새로운 개념의 자가치유 반도체 소자 제작기술을 제안했다.

연구팀은 2차원 이황화몰리브덴의 결함이 대부분 황 원자의 결핍에 의해 발생된다는 점에 주목하고 기존의 금속 소재 대신 2차원 황화구리를 전극 소재로 채택해 이황화몰리브덴에서 발생한 황 결핍을 황화구리 전극의 잉여 황 원자로 치유한다는 아이디어를 냈다.

연구팀은 이황화몰리브덴의 황 원자 결핍 부위에 황 원자를 공급하기 위해 황이 과포함된 황화구리 전극을 설계했다. 제작된 황화구리-이황화몰리브덴 소자에 약간의 열을 가하면 황화구리 전극 내에 존재하는 잉여 황 원자가 이황화몰리브덴의 황 원자 결핍 부위에 공급된다. 결함이 치유된 반도체 소재는 전하 이동이 원활해져 소자의 특성을 향상시킨다.

연구팀은 이렇게 제작한 2차원 이황화몰리브덴 기반 트랜지스터 소자는 후면 게이트 구조에서 현재까지 보고된 가장 높은 전자이동도를 달성했으며, 광센서로 응용했을 때도 획기적인 성능 향상을 나타냈다고 밝혔다. 또한 결함이 치유되는 메커니즘도 다양한 전기적, 분광학적 분석 및 제1원리 계산을 통해 규명했다.

(a) CuS 전극을 통한 MoS2 자가치유 모식도. CuS 전극의 황 원자들을 통해 MoS2의 결함을 채워 자가치유 특성을 발현함. (b) MoS2/CuS 트랜지스터 소자 및 유연 소자와 이의 동작 특성. (c) 높은 전자이동도 (~100㎠/V/s)와 ON/OFF 비율 (>10^8) 등의 우수한 성능 구현. [사진 및 설명=박상연]

차승남 교수는 "제안하는 자가치유 특성을 기반으로 하는 기능성 소재 및 소자 설계 기술은 2차원 반도체 소재의 결함에 의한 불안정성을 해결할 수 있는 실마리를 제공한다. 소자의 수율, 수명 그리고 동작 특성 등을 획기적으로 개선함으로써 2차원 소재 기반 차세대 유연/투명 소자의 상용화를 앞당길 기술로서 활용이 기대된다"고 밝혔다.

박상연 박사(제1저자, 성균관대 물리학과 박사후연구원)는 "황화구리 전극의 남는 황 원자가 이황화몰리브덴에서 발생한 황 결핍을 메꿀 수 있음을 이론과 실험으로 입증했다"면서 "황이 아닌 다른 소재에서도 같은 원리를 적용할 수 있을 것으로 기대하고 소재 범위 확장, 성능 안정성 개선 등 후속연구를 지속할 계획"이라고 전했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 장승훈 박사(한국화학연구원)와 홍승현 교수(국민대학교)가 공동연구에 참여했다.

연구내용은 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 온라인에 9월 4일자 표지 논문으로 게재됐다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

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