원자 단위 제어해 '초고밀도' 이차반도체 소재 만든다

이재현 아주대 교수-손석균 목포대 교수와 공동 개발

[아시아경제 김봉수 기자] 더 이상 고집적화가 힘든 기존 실리콘 반도체의 물리적 한계를 극복할 수 있는 이차원 반도체 소재 개발을 위한 원천 기술이 개발됐다.

15일 한국연구재단에 따르면, 이재현 아주대 교수 연구팀은 손석균 목포대 교수와 공동으로 균열의 크기와 깊이를 원자단위로 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발하는데 성공했다.

스폴링(Atomic-Spalling)이란 외부 응력으로 인해 필름이 자발적으로 박리되는 현상을 말한다. 최근 반도체의 소형화 과정에서 핵심 반도체 소재인 실리콘이 공정 크기의 물리적 한계점에 봉착함에 따라, 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 반도체 소재를 발굴하는 다양한 연구가 시도되고 있다.

이차원 반도체 소재는 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 얇은 소재임에도 불구하고 높은 물리적 성질을 유지하고 있어 실리콘을 대체하고, 차세대 반도체 소자 구현의 핵심적인 역할을 할 것으로 주목받고 있다. 이차원 반도체 소재를 확보하는 대표적인 방법은 물리적 박리법, 즉 테이프의 접착력을 이용해 그래핀을 흑연으로부터 기계적으로 분리해 내는 것이 있다. 그러나 크기, 수율, 그리고 층수를 제어하는 것이 불가능해 생산하기가 불가능했다.

연구팀은 약한 반데르발스 힘(van der Waals force) 즉 가까운 거리에 있는 전기적으로 중성인 분자들이 서로 끌어당기는 힘을 이용해 층층이 쌓여있는 구조를 가진 이차원 반도체 결정에 외부 응력이 가해지면 발생하는 균열의 깊이와 방향을 원자층 두께 수준까지 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발했다. 기존 물리적 박리법과 같이 균열에 따라 무작위로 소재를 추출하는 것이 아니라, 균열의 깊이와 방향을 소재의 층간 결합력, 증착된 필름의 내부응력, 그리고 소재의 기계적 물성 등으로 제어해 선택적으로 분리ㆍ확보할 수 있다는 것을 확인했다.

실제 연구팀은 이 원자-스폴링법으로 대표적 이차원 반도체 소재인 이황화 몰리브데늄(MoS2) 결정 표면에 은을 필름 형태로 코팅한 후 테이프를 이용하여 뜯어낸 결과, 밀리미터 크기의 대면적과 원자층 두께를 가진 고품질 이차원 반도체 소재를 확보하는 데 성공했다. 또 이렇게 확보된 소재는 광학적ㆍ전기적 분석을 통해 기존 물리적 박리법에 의해 확보된 소재와 품질의 차이가 없다는 것도 확인했다. 다른 이차원 반도체 소재인 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에도 효과가 있어 다양한 소재로의 활용 가능성도 검증했다.

연구팀은 “원자-스폴링법은 이차원 반도체 소재 활용에 장애물로 여겨지는 품질과 생산성을 동시에 잡을 방안을 제공한 것”이라며 “다층 박막*구조로 제작된 전자소자에서 발생 되는 필름 박리 문제에 대한 근본 원인을 진단 및 해결하는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘매터(Matter)’ 에 지난달 16일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr