IBS, 양자 소자급 2차원 반도체 세계 첫 대면적 합성 성공

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 반데르발스 양자 물질 연구단 조문호 단장 연구팀이 '양자 등급'의 초고순도 2차원 반도체를 대면적으로 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 28일 밝혔다.

세상에서 가장 얇은 반도체인 2차원 반도체는 새로운 양자 현상을 탐구할 수 있는 차세대 물질 플랫폼으로 주목받고 있다. 단순한 물리 현상의 관측을 넘어 실질적인 응용으로 이어지기 위해서는 2차원 반도체의 대면적 합성이 필수적이다.

이를 위해 수년간 다양한 합성법이 제안돼 왔으나 양자 특성을 구현할 수 있을 만큼 결정성이 정제된 고품질의 2차원 반도체를 대면적으로 합성하는 것은 여전히 해결되지 않은 과제로 남아 있었다.

연구팀은 이러한 난제를 해결하기 위해 독특한 사파이어 기판을 합성 템플릿으로 도입했다. 단결정 사파이어를 특정 평면에 높은 각도로 비스듬하게 자르면 단면에 1나노미터(nm) 미만으로 촘촘한 반복적인 계단 구조가 형성된다.

이 위에 2차원 반도체 소재 이황화몰리브덴(MoS₂)을 결정에 맞춰 쌓으면(에피택시 성장) 오로지 뾰족한 계단 모서리에서만 핵생성이 발현해 결정이 하나의 배향으로 통일된다.

동일 배향의 결정들이 성장 과정에서 만나면 어떤 경계면도 만들지 않고 매끄럽게 합쳐져 결과적으로 경계 결함이 전혀 없는 단결정 박막이 대면적으로 형성된다.

연구진은 온도와 압력을 비롯한 최적의 합성 조건을 찾아내 '점 결함'마저 최소화된 최고 품질의 MoS₂ 박막을 비스듬히 자른 사파이어 위에서 만들어냈다.

이 박막의 무결성은 원자 하나하나를 분간할 수 있는 고해상도의 투과전자현미경을 활용해 직접 확인했다. 소재 본연의 특성을 저해하는 요소인 결함을 최소화해 2차원 반도체 고유의 우수한 전기적 특성을 끌어낼 수 있었다.

연구팀이 합성한 단결정 MoS₂ 기반의 전자 소자는 기존의 다른 합성 방식으로 제조된 MoS₂ 소자들과 비교해 전반적으로 더 우수한 트랜지스터 성능을 보였다.

이로써 세계 최초로 대면적 2차원 반도체에서 양자 수송 현상을 관찰하는데 성공했다.

조 단장은 "구현한 웨이퍼 규모의 2차원 양자 전자 시스템은 차세대 반도체 또는 양자 소자에서 다양한 후속 연구로 활용된다"고 설명했다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr