차세대 반도체 소재 '칼코겐' 상용화 국내 연구진이 앞당겼다

머니투데이

한고은 기자

UNIST 박혜성 교수(좌), 성균관대학교 강주훈 교수(우). /사진=UNIST, 성균관대

화학 기상 증착(CVD) 방법을 통한 몰리브데넘 다이셀레나이드 합성. (a) 촉진제를 포함한 액상 전구체 기반 화학 기상 증착 방법 모식도. 촉진제 농도에 따른 몰리브데넘 다이셀레나이드의 (b) 광학 이미지 및 (c, d) XPS 분석. /자료=UNIST

차세대 반도체 소재로 꼽히는 전이금속 칼코겐의 상용화가 앞당겨질 전망이다. 국내 연구진이 상용화의 장애물로 꼽혔던 품질 개선 기술을 개발하는 데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST) 박혜성 교수팀과 성균관대학교 강주훈 교수팀은 8일 "고체 원료만을 이용하던 기존 방식과 달리 액상 원료와 고체 원료를 함께 쓰는 방식으로 결정성이 우수한 전이금속 칼코겐 화합물 합성 기술을 개발했다"고 밝혔다.

전이금속 칼코겐은 그래핀과 같은 2차원 물질 중 하나로 열 전도율과 전기 전도도가 높아 차세대 반도체 소자로 주목받고 있다. 하지만 기존 합성 방식의 한계로 동일한 품질의 박막을 얻기 힘들고, 대면적 합성이 어려워 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 액체 원료(액상 전구체)를 이용한 합성 방식을 개발했다. 고온에서 증기로 변한 고체 전구체로 합성하는 기존 화학기상증착법은 증기 농도가 불규칙해 박막의 품질이 일정하지 않았다.

연구팀은 액상 전이금속 원료를 기판 위에 코팅해 증기 상태의 칼코겐 원소와 반응하도록 했다. 알칼리 금속 할라이드를 촉진제로 써 결정성(원자 배열의 규칙성)이 우수한 화합물을 얻었다.

특히 알칼리 금속 할라이드는 화합물이 수직방향이 아닌 수평방향으로만 성장하도록 해 하나의 얇은 층으로만 이뤄진 전이금속 칼코겐 화합물 합성을 가능하게 했다.

연구팀은 합성된 반도체 박막을 이용한 반도체 소자 제작에도 성공했다. 전이금속 칼코겐화합물인 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 박막으로 전계효과 트랜지스터(transistor)를 제작하고, 박막이 갖는 우수한 전기적 특성(전자이동도)을 확인했다.

박혜성 UNIST 신소재공학과 교수는 "개발된 합성법은 상업화 가능한 큰 크기의 고성능·동일품질 2차원 반도체 소재를 생산 할 수 있는 기술"이라며 "2차원 소재 기반 전자소자 개발과 상용화에 기여할 수 있을 것"이라고 기대했다.

이번 연구성과는 나노·재료 분야 국제 학술지인 권위 학술지인 'ACS Nano'에 2월 23일자로 출판됐으며, 연구 수행은 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 기초연구실지원사업 지원으로 이뤄졌다.