UNIST, 성균관대 연구진, 결정성 우수한
전이금속 칼코겐 화합물 합성 기술 개발
고체 및 액체 원료 함께 써서 품질 높여


실리콘(Si)을 대체할 차세대 반도체 소재의 상용화를 앞당기기 위해서 국내 연구진이 2차원 반도체 소재를 원자 수준으로 얇고 넓게, 그리고 고르게 성장시키는 기술을 개발했다. 실제 반도체 소자를 제작해서 가능성도 입증했다.

울산과학기술원(UNIST) 박혜성 교수팀과 성균관대학교 강주훈 교수팀은 8일, 고체 원료만을 이용하던 기존 방식과 달리, 액상 원료와 고체 원료를 함께 써서 원자 배열의 규칙성이 우수한 전이금속 칼코겐 화합물을 합성하는 기술을 개발했다.

전이금속 칼코겐 화합물은 차세대 반도체 소재로 주목받고 있지만, 대면적 합성이 까다롭다. 고온에서 증기로 변한 고체 전구체로 합성하는 화학기상증착법(CVD)은 증기 농도가 불규칙해 동일한 품질의 박막을 여러 개 얻기 힘들고, 합성 가능한 크기에도 한계가 있다. 이에 액상 전구체를 이용한 방식이 주목받고 있다.

하지만 액체 원료를 쓰면 합성된 소재의 원자 배열의 규칙성, 즉 결정성과 같은 품질이 떨어지는 문제가 있다. 이에 연구팀은 액상 전이금속 원료를 기판 위에 코팅해 증기 상태 칼코겐 원소와 반응 하도록 했다. 

액상 원료 속 반응 촉진제인 금속 할라이드가 ‘칼코겐화(chalcogenization)’ 반응을 촉진하여 결정성이 우수한 화합물을 쉽게 얻을 수 있었다고 관계자는 설명했다. 또한, 촉진제를 쓰면 화합물이 수직 방향이 아닌 수평 방향으로만 성장해 하나의 얇은 층으로만 이뤄진 전이금속 칼코겐 화합물 합성이 가능하다고 덧붙였다.

개발된 합성법은 전이금속 칼코겐 화합물의 종류와 관계없이 쓸 수 있다. 연구팀은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)과 같은 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se)과 같은 칼코겐 원소 조합을 바꿔 다양한 단층 전이금속 칼코겐 화합물을 합성했다. 

특히 연구팀은 합성된 반도체 박막을 이용해 반도체 소자를 제작할 수 있다는 것도 증명했다. 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 박막으로 전계효과 트랜지스터(transistor)를 제작하고, 박막이 갖는 우수한 전자 이동도를 확인한 것이다.

한편, 이번 연구는 나노·재료 분야 학술지인 ‘ACS 나노(Nano)’ 2월 23일 자에 ‘High-Crystalline Monolayer Transition Metal Dichalcogenides Films for Wafer-Scale Electronics’라는 제목으로 출판됐다.