한국과 중국 연구진이 기술 성능 한계에 도달한 실리콘 기반 반도체 소재를 대체할 새로운 소재의 대면적 제작에 성공해 향후 양산이 기대된다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀은 베이징대 등 중국 연구진과 함께 전이금속 디칼코게나이드의 대면적 단결정 성장에 영향을 미치는 핵심 원리를 규명했다고 16일 밝혔다.

또한 공동연구진은 이황화텅스텐(WS2) 등 대표적인 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 소재들을 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작하는 데도 성공한 것으로 알려졌다.

우수한 물리적·전기적 특성을 지닌 전이금속 디칼코게나이드(TMD, Transition Metal Dichalcogenide)는 그래핀, 흑린 등과 함께 차세대 반도체 물질로 각광받고 있다. 전 세계 연구실에서 경쟁적으로 이 소재를 연구하고 있지만, 아직 양산에 이르지는 못했다.

특히 디칼코게나이드의 경우 웨이퍼 제조시 기판 선택이 까다로워 고성능의 웨이퍼를 만드는 데 에피텍셜 성장(Epitaxial Growth)에서 성장한 작은 단결정이 균일하게 정렬되지 못하고 가장자리에 위치하는 등 어려움을 겪어 왔다.

이번 연구에서 공동연구진은 이론적 계산을 토대로 독특한 대칭구조를 가진 전이금속 디칼코게나이드 맞춤형 기판을 선택하는 원리를 제시하고, 이를 ‘이중결합 유도 에피텍셜 성장법’이라 이름 붙였다.

예컨대 이황화텅스텐(WS2)의 경우 합성과정에서 두 가지 역평행 방향 역평행방향(antiparallel)을 선호하는 데, 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하면 기판 위 스텝 가장자리에서 성장한 모든 이황화텅스텐이 단방향으로 정렬된다. 스텝 가장자리에서 결정 알갱이들은 점점 성장하여 최종적으로 기판과 동일한 크기의 대면적 단결정을 이룬다.

제1저자인 팅 청(Ting Cheng) 연구원은 “‘이중결합 유도 에피텍셜 성장법’을 토대로 적절한 기판을 선택하면, 이론적으로 모든 2차원 재료를 대면적 단결정으로 성장시키는 것이 가능하다”고 설명했다.

같은 방식으로 공동연구진은 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 등의 전이금속 디칼코게나이드를 2인치 웨이퍼 크기의 대면적으로 제작하는 데 성공했다. 실리콘을 이을 새 반도체 소재의 실용화를 획기적으로 앞당길 수 있는 전기를 마련한 셈이다.

펑 딩(Feng Ding) 그룹리더는 “2차원 소재의 ‘선배 격’인 그래핀과 육방정계질화붕소(hBN)에 이어 전이금속 디칼코게나이드도 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작할 수 있게 됐다”며 “2차원 소재 분야의 역사에 남을 기념비적인 연구로, 고성능 전자 및 광학 소자 분야 발전을 견인할 것”이라고 말했다.

연구결과는 11월16일 나노과학 분야 권위지인 ‘네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology, IF 39.213)에 실렸다.