절연체 위에서 이황화텅스텐이 성장하는 모습(IBS 제공)© 뉴스1

IBS 다차원 탄소재료 연구단이 중국 연구진과 공동으로 차세대 반도체 물질로 각광받는 전이금속 디칼코게나이드(TMD)를 웨이퍼 크기의 대면적으로 제작하는 데 세계 최초로 성공했다.

실리콘을 이을 새 반도체 소재의 실용화를 앞당길 전기를 마련한 것으로, 고성능 전자 및 광학 소자 분야 발전을 견인할 것으로 기대된다.16일 IBS에 따르면 전이금속 디칼코게나이드는 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te) 등의 칼고켄 화합물과 전이금속으로 이뤄진 반도체 물질로 그래핀, 흑린 등과 함께 차세대 반도체 물질로 각광받고 있다.

그러나, 전 세계적으로 아직 대량 양산에 이르지는 못했다.

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

예컨대, 이황화텅스텐(WS2)의 경우 합성과정에서 두 가지 역평행 방향(결정의 방향이 서로 반대인 상태)을 선호하는 데, 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하면 기판 위 스텝 가장자리에서 성장한 모든 이황화텅스텐이 단방향으로 정렬된다.

스텝 가장자리에서 결정 알갱이들은 점점 성장헤 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.

절연체 위에서 계단 가장자리 유무에 따른 이황화텅스텐 합성 차이(IBS 제공)© 뉴스1

공동연구진은 같은 방식으로 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.

펑딩 그룹리더는 “2차원 소재 분야의 역사에 남을 기념비적인 연구로, 고성능 전자 및 광학 소자 분야 발전을 견인할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 나노과학 분야 권위지인 ‘네이처 나노테크놀로지’에 16일 게재됐다.


km5030@news1.kr