한·중 연구진, 2차원 전이금속 TMD 웨이퍼 합성 성공

실리콘 이을 새 반도체 소재 상용화 전기

국제학술지에 연구 결과 발표

[대전=뉴시스] 절연체 위에서 이황화텅스텐이 성장하는 모습. 단결정 이황화텅스텐을 사파이어 웨이퍼 위에서 O2 에칭 후 합성한 광학 이미지.  *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 실리콘 기반 반도체를 대체할 차세대 반도체 물질로 주목받고 전이금속 디칼코게나이드(TMD)의 핵심 원리가 밝혀졌다.

기초과학연구원(IBS)은 다차원탄소재료연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀이 중국 연구진과 함께 전이금속 디칼코게나이드의 대면적 단결정 성장에 영향을 미치는 핵심 원리를 규명하고 이황화텅스텐(WS2) 등 대표적인 전이금속 디칼코게나이드 소재들을 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작하는데 성공했다고 16일 밝혔다.

전이금속 디칼코게나이드(TMD·Transition Metal Dichalcogenide)은 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te) 등의 칼고켄 화합물과 전이금속으로 이뤄진 반도체 물질이다.

2가지 원소로 구성돼 있는 전이금속 디칼코게나이드는 구조적인 대칭점이 중심이 아닌 가장자리에 위치하기 때문에 반도체 제작과정서  기판 선택이 까다롭다.

이번 연구에서 공동연구진은  독특한 대칭구조를 가진 전이금속 디칼코게나이드의 맞춤형 기판을 선택하는 원리를 제시하고 이를 '이중결합 유도 에피텍셜 성장법'이라 이름 붙였다.

 연구진에 따르면 합성과정에서 두 가지 역평행 방향을 선호하는 이황화텅스텐(WS2)의 경우 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하면 기판 위 스텝 가장자리에서 성장한 모든 이황화텅스텐이 단방향으로 정렬된다.

또  스텝 가장자리에서 결정 알갱이들은 점점 성장해 최종적으로 기판과 동일한 크기의 대면적 단결정을 이룬다.

이어 공동연구진은 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 등 전이금속 디칼코게나이드를 2인치 웨이퍼 크기의 대면적으로 제작하는 데 성공했다.

 실리콘을 이을 새 반도체 소재의 실용화를 획기적으로 앞당길 수 있게 했다는 평가를 받은 입던 연구결과는  16일 오전 1시(한국시간) 나노과학 분야 권위지인 '네이처 나노테크놀로지(IF 39.213)'에 실렸다. 논문명 Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS2 monolayer on vicinal a-plane sapphire

제1저자인 팅청 연구원은 "‘이중결합 유도 에피텍셜 성장법을 토대로 적절한 기판을 선택하면 이론적으로 모든 2차원 재료를 대면적 단결정으로 성장시키는 것이 가능하다"고 설명했다.

펑딩 그룹리더는 "그래핀과 육방정계질화붕소(hBN)에 이어 전이금속 디칼코게나이드도 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작할 수 있게 됐다"면서 "2차원 소재 분야의 역사에 남을 기념비적인 연구로, 고성능 전자 및 광학 소자 분야 발전을 견인할 것"이라고 말했다.


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