실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재 상용화가 크게 앞당겨질 전망입니다. 국내 연구진이 2차원 반도체 소재(원자 두께로 얇은 소재)를 넓고 고르게 성장시키는 기술을 개발했습니다. 이 기술로 합성된 전이금속 칼코겐 화합물은 반도체 소자 제작에 쓰일 수 있을 정도로 크고, 결정성 또한 우수했습니다.
UNIST 박혜성 교수팀과 성균관대학교 강주훈 교수팀은 고체 원료만을 이용하던 기존 방식과 달리 액상 원료와 고체 원료를 함께 쓰는 방식으로 결정성(원자 배열의 규칙성)이 우수한 전이금속 칼코겐 화합물을 합성하는 기술을 개발했습니다. 액상원료를 쓰면 합성된 소재의 결정성이 떨어지는 문제를 촉진제로 해결했습니다. 해당 연구는 'ACS Nano'에 게재됐습니다.
촉진제로 2차원 반도체 소재 결정성 높여
전이금속 칼코켄 화합물 차세대 반도체 소재로 주목받고 있지만 대면적 합성이 까다롭습니다. 고온에서 증기로 변한 고체 전구체(원료)로 합성하는 방식은 증기 농도가 불규칙해 동일한 품질의 박막을 여러 개 얻기 힘들고 합성 가능한 크기도 한계가 있습니다. 이 때문에 액체 원료(액상 전구체)를 이용한 방식이 주목을 받고 있지만 액체 원료를 쓸 경우 합성된 소재의 결정성과 같은 품질이 떨어지는 문제가 있습니다.
- 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)
외부와 차단된 챔버 안에서 가스들이 열, 빛, 플라즈마 (plasma)와 같은 환경에 의해 반응해 챔버 안에 존재하는 성장 기판 위에 고체 물질을 형성하는 방법입니다. 일반적으로 고체 전구체(원료물질)를 가스화해 합성합니다.
- 칼코겐화 (chalcogenization)
전이금속 화합물 제조 과정에서 열처리로 인해 증기화된 전이금속 전구체와 칼코겐 전구체가 반응하여 전이금속 화합물이 형성되는 공정 단계를 지칭합니다.
연구팀은 액상 전이금속 원료를 기판위에 코팅해 증기 상태 칼코겐 원소와 반응 하도록 하는 방식을 썼습니다. 액상 원료 속 반응 촉진제(금속 할라이드)가 칼코겐화(chalcogenization) 화학 반응을 촉진해 결정성이 우수한 화합물을 쉽게 얻습니다. 또 촉진제를 쓰면 화합물이 수직방향이 아닌 수평 방향으로만 성장해 하나의 얇은 층으로만 이뤄진 전이금속 칼코겐 화합물 합성이 가능합니다.
개발된 합성법은 전이금속 칼코겐 화합물의 종류에 관계없이 쓸 수 있습니다. 연구팀은 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)과 같은 전이금속과 황(S), 셀레늄(Se)과 같은 칼코겐 원소 조합을 바꿔 다양한 단층 전이금속 칼코겐 화합물을 합성해냈습니다.
연구진은 합성된 반도체 박막을 이용해 반도체 소자를 제작하는 데도 성공했습니다. 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 박막으로 전계효과 트랜지스터(transistor)를 제작하고, 박막이 갖는 우수한 전기적 특성(전자이동도)을 확인했습니다.
촉진제를 포함한 액상 전구체 기반 화학 기상 증착 방법은 전이금속 화합물의 균일한 대면적의 단층 박막을 합성할 수 있어 전이금속 화합물의 상용화에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다. 또한, 촉진제로 사용된 알칼리 금속 할라이드는 칼코겐화 공정을 향상시킬 수 있기 때문에, 전이금속 화합물의 전기적, 광학적 특성 및 결정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 보입니다.
UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 "개발된 합성법은 상업화 가능한 큰 크기의 고성능·동일품질 2차원 반도체 소재를 생산 할 수 있는 기술"이라며 "2차원 소재 기반 전자소자 개발 및 상용화에 기여할 수 있을 것"이라고 기대했습니다.
##참고자료##
