실리콘 뛰어넘은 차세대 반도체 소재 '성큼'
국내 연구진이 1㎚(나노미터)보다 얇은 두께의 2차원 반도체 물질의 합성법을 개발해 실리콘을 뛰어넘는 차세대 반도체 소재로 활용할 수 있는 가능성을 확인했다.
지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 화학과 임현섭 교수 연구팀은 2차원 몰리브덴 이황화물(MoS2) 합성 공정을 개선해 결정 입자 사이의 경계를 획기적으로 줄이는 대면적 단결정 합성법을 개발했다고 13일 밝혔다.
지스트는 기존 다결정 몰리브덴 이황화물에서 결정 입자 사이에 경계면이 존재하여 전하이동도가 느렸던 단점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다고 평가했다.
지스트에 따르면 몰리브덴 이황화물은 꿈의 소재라 불리는 그래핀의 한계를 극복할 수 있어 차세대 2차원 나노물질로 주목받고 있으나 단결정 합성 과정에서 결정 입자 사이의 경계로 인해 반도체 산업에 활용이 어렵고 합성 효율이 낮아 경제성이 부족했다.
연구팀은 2차원 몰리브덴 이황화물의 합성에 사용되던 기존의 고체 전구체를 무기 분자 전구체로 대체해 합성 효율을 높였고, 사파이어 기판에서 2차원 몰리브덴 이황화물을 단일층 및 단결정으로 합성할 수 있는 신기술을 개발했다.
또한 단결정 합성법의 핵심적인 기법인 ‘에피텍셜 성장’에서 그간 베일에 싸였던 사파이어 기판의 말단 작용기의 역할을 규명했다.
알루미륨과 산소로 구성되어 있는 사파이어 기판은 공기 중 온도에 따라서 하이드록시기 또는 알루미늄기를 말단 작용기로 가질 수 있으며 이 중 알루미륨 말단 작용기가 2차원 몰리브덴 이황화물 단결정 성장에 핵심적인 역할을 한다는 새로운 메커니즘을 표면 결정 구조 분석과 양자 계산을 통해 제시했다.
임현섭 교수는 “이번 연구를 통해 2차원 반도체 나노물질인 몰리브덴 이황화물을 차세대 반도체 소재로 활용하는 시점이 앞당겨질 것으로 기대한다”며 “특히 새롭게 밝혀낸 메커니즘은 다른 2차원 나노물질들의 대면적 단결정 합성 공정 개발에도 기여할 것”이라고 말했다.
지스트 임현섭 교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업, 기초과학연구실, 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행되었으며 재료 과학 및 화학분야 저명 국제학술지인 「ACS Nano」에 2023년 1월 12일 온라인 게재되었다.