광주과학원(GIST)의 한 연구팀이 1나노미터보다 얇은 두께의 2차원 반도체 물질의 합성법을 개발해 실리콘을 넘어 차세대 반도체 소재로 활용할 수 있을지에 대한 관심이 쏠린다.

지스트 임현섭 화학과 교수 연구팀(박용희 박사과정생, 안채현 박사과정생)은 최근 2차원 몰리브덴 이황화물 합성 공정을 개선해 결정 입자 사이의 경계를 획기적으로 줄이는 대면적 단결정 합성법을 개발했다.

몰리브덴 이황화물이란 2차원 구조를 갖는 전이금속 디칼코게나이드 종류를 말한다. 우수한 열전도율과 내구성을 갖췄지만 금속성을 갖고 있어 반도체 소재로 활용할 수 없는 ‘그래핀’의 한계를 극복할 수 있을 거란 기대와 함께 2세대 나노물질로 주목받고 있다.

하지만 단결정 합성 과정에서 결정 입자 사이의 경계로 인해 반도체 산업에 활용이 어렵고 합성 효율이 낮아 경제성이 부족했던 어려움이 있었다.

2차원 몰리브덴 이황화물 웨이퍼

이에 연구팀은 공정 개선을 통해 소재를 이루는 수 많은 결정이 각기 다른 방향으로 성장할 때 생기는 결함을 방지하는 기술을 말하는 ‘대면적 단결정 합성’을 이뤘다. 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. 이번 개발로 기존 다결정 몰리브덴 이황화물에서 결정 입자 사이에 경계면이 존재해 전하이동도가 느렸던 부분이 해결될 수 있을 것으로 기대된다.

또 단결정 합성법의 핵심적인 기법인 ‘에피텍셜 성장’(기판 위 얇은 박막을 성장시킬 때 기판과 박막의 격자 구조 유사성이 유지되는 성장 기법)에서 사파이어 기판의 말단 작용기 역할을 규명했다.

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 연구팀의 연구는 재료 과학 및 화학분야 저명 국제 학술지인 ‘ACS Nano’에 지난달 12일 온라인 게재됐다.

/김다인 기자 kdi@kwangju.co.kr