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실리콘 반도체의 물리적 한계를 극복할 수 있는 이차원 반도체 소재 확보 기술인 원자-스폴링(Atomic-Spalling)법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국연구재단은 이재현 교수 연구팀(아주대학교, 제1저자 문지윤 석·박사통합과정)이 손석균 교수(목포대학교)와 공동으로 균열의 크기와 깊이를 원자단위로 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발하는데 성공했다고 15일 밝혔다.
최근 반도체의 소형화 과정에서 핵심 반도체 소재인 실리콘이 공정 크기의 물리적 한계점에 봉착함에 따라, 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 반도체 소재를 발굴하는 다양한 연구가 시도되고 있다.
이차원 반도체 소재는 원자 한 층의 두께를 가진 평면 형태의 얇은 소재임에도 불구하고 높은 물리적 성질을 유지하고 있어서 실리콘을 대체하고, 차세대 반도체 소자 구현의 핵심적인 역할을 할 것으로 주목받고 있다.
이차원 반도체 소재를 확보하는 대표적인 방법은 물리적 박리법(Exfoliation Method)이 있지만 소재의 크기와 수율, 그리고 층수를 제어하는 것이 불가능해 생산적 측면에서는 한계를 보였다.
이에 연구팀은 약한 반데르발스(van der Waals force) 힘으로 층층이 쌓여있는 구조를 가진 이차원 반도체 결정에 외부 응력이 가해지면 발생하는 균열의 깊이와 방향을 원자층 두께 수준까지 제어할 수 있는 원자-스폴링법을 개발했다.
연구팀에 따르면, 원자-스폴링법으로 대표적 이차원 반도체 소재인 이황화 몰리브데늄(MoS2) 결정 표면에 은을 필름 형태로 코팅한 후 테이프를 이용해 뜯어냈다. 이 결과, 밀리미터 크기의 대면적과 원자층 두께를 가진 고품질 이차원 반도체 소재를 확보했다.
내부응력제어에 의해 1층, 2층, 그리고 3층의 고품질 MoS2가 대면적으로 박리된 이미지 (사진 및 설명 제공 : 아주대학교 이재현 교수)
또한 이 소재가 광학적·전기적 분석을 통해 기존 물리적 박리법에 의해 확보된 소재와 품질에 차이가 없음을 증명했다. 더불어, 다른 이차원 반도체 소재인 몰리브덴 디셀레나이드(MoSe2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)에도 적용한 결과, 동일하게 층수가 제어돼 다양한 소재로의 활용 가능성도 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기초연구실지원사업 등의 지원으로 수행했다.
