[충청뉴스 이성현 기자] 실리콘을 이을 반도체 신소재 상용화를 앞당길 핵심 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.
기초과학연구원(IBS)은 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더 연구팀이 베이징대 등 중국 연구진과 전이금속 디칼코게나이드의 대면적 단결정 성장에 영향을 미치는 핵심원리를 규명했다고 16일 밝혔다.
실리콘 기반 반도체 기술이 성능 한계에 도달함에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 소재 개발이 요구되는 상황이다. 우수한 물리적‧전기적 특성을 지닌 전이금속 디칼코게나이드(TMD)는 그래핀, 흑린 등과 함께 차세대 반도체 물질로 각광받고 있다.
연구진은 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 방향을 선호하는 데, 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하면 기판 위 스텝 가장자리에서 성장한 모든 이황화텅스텐이 단방향으로 정렬된다.
스텝 가장자리에서 결정 알갱이들은 점점 성장해 최종적으로 기판과 동일한 크기의 대면적 단결정을 이룬다.
같은 방식으로 연구진은 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 설명했다.
