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UNIST-성균관대, 실리콘 대체할 차세대 반도체 소재 개발

촉진제로 2차원 반도체 소재 결정성 높여

작성일 : 2021-03-08 13:47 작성자 : 우세윤 (kmaa777@naver.com)

액체 전구체와 촉진제를 이용한 2차원 반도체 합성 모식도
[울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]


UNIST(울산과학기술원)와 성균관대 연구진이 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재를 합성하는 기술 개발에 성공했다.

UNIST 신소재공학과 박혜성 교수팀과 성균관대 강주훈 교수팀은 2차원 반도체 소재(원자 두께로 얇은 소재)를 넓고 고르게 성장시키는 데 성공했다고 8일 밝혔다. 이번 연구를 통해 원자 배열의 규칙성이 우수한 이른바 ‘결정성’을 높인 전이금속 칼코겐 화합물을 합성할 수 있게 됐다.

전이금속 칼코켄 화합물은 차세대 반도체 소재로 주목받고 있지만 큰 면적으로 합성하기 까다로운 물질이다. 이제까지 칼코겐(chalcogen) 화합물 합성에는 고온에서 증기로 변한 고체 원료로 합성하는 방식은 증기 농도가 불규칙해 동일한 품질을 내기 어렵고, 액체 원료를 이용할 경우 합성된 소재의 결정성과 같은 품질이 떨어지는 문제가 있었다.

연구진은 기존 방식과 달리 액체 원료와 고체 원료를 함께 사용해 결정성이 우수한 칼코겐 화합물을 합성하는 데 성공한 것이다. 연구팀은 액상 전이금속 원료를 기판 위에 코팅해 증기 상태 칼코겐 원소와 반응하도록 유도하는 방식을 사용했다.

액상 원료 속 반응 촉진제인 금속 할라이드를 사용해 결정성이 우수한 화합물을 얻은 것은 물론, 촉진제 사용으로 화합물이 수직 방향이 아닌 수평으로만 성장해 하나의 얇은 층으로만 이뤄진 전이금속 칼코겐 화합물 합성에 성공할 수 있었다.

이번에 개발된 합성법은 전이금속 칼코겐 화합물의 종류에 관계 없이 사용할 수 있다. 연구팀은 몰리브덴, 텅스텐과 같은 전이금속과 황, 셀레늄과 같은 칼코겐 원소 조합을 바꿔 다양한 단층 전이금속 칼코겐 화합물을 합성해냈다.

이뿐만 아니라 합성된 반도체 박막을 이용해 반도체 소자를 제작하는 데도 성공했으며, 박막의 우수한 전기적 특성(전자이동도)도 확인했다.

UNIST 박혜성 교수는 “개발된 합성법은 상업화 가능한 큰 크기의 고성능·동일 품질의 2차원 반도체 소재를 생산할 수 있는 기술이다”라며 “2차원 소재 기반 전자 소자 개발과 상용화에 기여할 수 있을 것이다”라고 기대를 숨기지 못했다.

한편 연구 결과는 나노·재료 분야 국제 학술지인 ‘에이시에스 나노(ACS Nano)’에 지난 2월 23일 자로 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단 중견연구자지원사업과 기초연구실지원사업의 지원을 통해 이뤄졌다.

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