'원자결함' 비밀 풀고, 반도체 성능↑
'원자결함' 비밀 풀고, 반도체 성능↑
  • 강지희
  • 승인 2019.10.21 17:15
  • 조회수 1042
  • 댓글 0
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<em>반도체 필수! 규소! 출처: 포토리아</em><br>
반도체, 새로운 기술이 필요해! 출처: fotolia

한국표준과학연구원이 차세대 신소재로 주목받는 2차원 반도체의 상용화를 앞당길 측정 기술을 개발했습니다. KRISS 양자기술연구소 연구팀은 첨단소재인 2차원 반도체성 전이금속 디칼코게나이드(SC-TMD) 화합물의 양자전기 물성을 측정하는 기술을 개발했는데요. 이 연구는 <Nature Communications>에 게재됐습니다.

 

이번 기술은 반도체 특성을 결정짓는 원자결함 상태의 에너지 분포를 높은 정밀도로 측정할 수 있다고 합니다. 연구팀의 기술은 그동안 이론적 예측으로 도출해온 물성 값들을 정확한 측정으로 규명했는데요. 이로써 2차원 반도체의 응용성을 한 차원 높일 전망입니다.

 

'양날의 검', 원자결함

 

SC-TMD(반도체성 전이금속 디칼코게나이드, Semiconductor-Transition Metal Dichalcogenide)은 신소재로 불리는 그래핀과 유사한 2차원 물질인데요. 이황화 텅스텐, 이황화 몰리브덴 등이 대표적입니다. SC-TMD는 다양한 물성을 갖는데요. 그래핀의 장점인 우수한 물리화학적 특징은 물론 반도체의 특성까지 갖고 있어 산업 응용 가능성이 높다는 장점을 지닙니다. 이에 SC-TMD 물질은 실리콘 반도체를 대체할 미래 반도체 기술로 꼽힙니다. 하지만 아직까지 물질 자체가 가진 물리적 성질에 대한 비밀이 명확히 풀리지 않아 상용화 단계에서 어려움을 겪고 있었습니다. 특히 SC-TMD 물질 내부에 존재하는 원자결함은 '양날의 검'과 같습니다.

 

원자결함은 만드는 결함상태(defect state)는 물질의 도핑 정도를 조절하고 'P형', 'N형'과 같은 반도체 특성을 결정짓는 중요한 요소입니다. 동시에 전자 이동도를 억제하는 등 반도체 성능을 저해하는 원인으로도 작용하죠. 즉 원자결함을 인위적으로 제어할 수만 있다면 SC-TMD 물질은 다양한 기능을 손쉽게 변화시킬 수 있는 신개념 소자로 탄생할 수 있습니다.

 

어떻게 연구했는가

 

원자결함 제어의 첫걸음은 결함 상태에 관한 정확한 이해에서 시작됩니다. 그러나 그동안 원자결함은 투과전자현미경(TEM) 같은 시각화 장비로 관찰하는 데 그쳤습니다. 하지만 이미지만으로는 물질의 구조와 연관된 물성 값을 제시할 수 없어 대부분 이론적 예측에만 의존했습니다. 이 마저도 변수 설정에 따라 결과가 크게 달라질 수 있어 값을 완벽히 신뢰하기는 어려웠습니다.

육각질화붕소 박막, 흑연, 그래핀, SC-TMD 등 2차원 물질이 적층된 수직이종접합의 구조 및 광학현미경 이미지
육각질화붕소 박막, 흑연, 그래핀, SC-TMD 등 2차원 물질이 적층된 수직이종접합의 구조 및 광학현미경 이미지. 출처: KRISS

KRISS 양자기술연구소 연구팀은 육각질화붕소 박막, 흑연, 그래핀, SC-TMD 등의 2차원 물질이 적층된 수직이종 접합 구조를 제작했습니다. 그 다음 전자터널링분광법을 이용해 SC-TMD에 대한 양자전기 물성을 정확하게 측정했는데요. 그 결과 밴드갭과 엑시톤 등 SC-TMD의 고유 물성값은 물론 원자결함 상태의 기원과 영향력까지 규명하는데 성공했습니다. 연구팀은 실험을 통해 측정한 이후 이론적 검증 방법인 제일원리 계산을 통해 해석했는데요. 덕분에 측정값의 신뢰성을 극대화할 수 있었습니다.

  • 전자터널링분광법?

양자 역학적 성질인 전자 터널링 현상을 이용해 에너지 변화에 따른 전자상태 밀도 변화량을 정밀하게 측정하는 계측 방법을 말합니다.

KRISS 양자기술연구소 연구팀. 출처: KRISS

정수용 책임연구원은 "원자결함 제어의 가능성을 제시한 이번 기술은 2차원 반도체의 응용성을 폭넓게 확장시킬 것"이라며 "반도체의 성능 향상 뿐만 아니라 양자 컴퓨터, 스핀트로닉스와 같은 무궁무진한 미래 기술의 기반으로도 응용할 수 있을 것"이라고 말했습니다. 

 

##참고자료##


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