임현섭 GIST 교수팀, 실리콘 뛰어넘는 차세대 반도체 소재 합성 메커니즘 규명

2D 몰리브덴 이황화물 경계면 결함 저감합성법으로 경제성 확보
알루미륨 말단 작용기 단결정 성장 역할도 규명…국제학술지 게재

국내 연구진이 1나노미터(㎚)보다 얇은 두께의 2차원(2D) 반도체 물질 합성법을 개발했다. 실리콘을 뛰어넘는 차세대 반도체 소재 활용 가능성을 제시했다.

광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 임현섭 화학과 교수팀이 2D 몰리브덴 이황화물 합성 공정을 개선해 결정 입자 사이 경계를 획기적으로 줄이는 대면적 단결정 합성법을 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.

몰리브덴 이황화물은 2D 구조를 갖는 전이금속 디칼코게나이드 종류다. 에너지밴드 사이에 존재하는 밴드갭이 있고 단층에서는 강한 형광을 발생한다. 몰리브덴 이황화물은 꿈의 소재라 불리는 그래핀 한계를 극복할 수 있어 차세대 2D 나노물질로 주목받고 있다. 하지만 단결정 합성 과정에서 결정 입자 사이 경계로 인해 반도체 산업에 활용이 어렵고 합성 효율이 낮아 경제성이 부족했다.

2D 몰리브덴 이황화물 웨이퍼. 몰리브덴 이황화물을 반도체 산업에 활용하려면 웨이퍼 수준의 대면적 합성이 필수적이다.

임 교수팀은 2D 몰리브덴 이황화물의 합성에 사용해온 고체 전구체를 무기 분자 전구체로 대체해 합성 효율을 높였다. 사파이어 기판에서 2D 몰리브덴 이황화물을 단일층 및 단결정으로 합성할 수 있는 신기술을 개발했다. 단결정 합성법 핵심적인 기법인 '에피텍셜 성장'에서 그동안 베일에 싸인 사파이어 기판의 말단 작용기 역할을 규명했다. 종전 다결정 몰리브덴 이황화물에서 결정 입자 사이에 경계면이 존재해 전하이동도가 느렸던 단점을 해결했다.

연구팀은 알루미륨과 산소로 구성돼 있는 사파이어 기판은 공기 가운데 온도에 따라 하이드록시기나 알루미늄기를 말단 작용기로 가질 수 있는데, 알루미륨 말단 작용기가 2D 몰리브덴 이황화물 단결정 성장에 핵심적인 역할을 한다는 새로운 메커니즘을 표면 결정 구조 분석과 양자 계산을 통해 제시했다.

임현섭 GIST 교수(가운데)와 박용희 박사과정생(왼쪽), 안채현 박사과정생.

임현섭 교수는 “2D 반도체 나노물질인 몰리브덴 이황화물을 차세대 반도체 소재로 활용하는 시점이 앞당겨질 것으로 기대한다”며 “새롭게 밝혀낸 메커니즘은 다른 2D 나노물질 대면적 단결정 합성 공정 개발에도 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업, 기초과학연구실, 미래소재디스커버리 사업 지원을 받아 이뤄졌다. 재료 과학 및 화학 분야 저명 국제학술지 'ACS 나노' 온라인에 게재됐다.

광주=김한식기자 hskim@etnews.com