■ 실리콘 이을 새로운 반도체 소재 TMD 상용화

■ 실리콘 이을 새로운 반도체 소재 TMD 상용화

 

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 펑 딩 그룹 리더 (UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀은 베이징 대학 등 중국 연구진과 함께 ”전이금속 디칼코게나이드“ (TMD. transition metal dichalcogenide)의 대면적 단결정 성장에 영향을 미치는 핵심 원리를 규명하고 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작하는데 성공했다고 2021년 11월 16일 밝혔다. 웨이퍼는 반도체 회로를 그릴 수 있는 밑판이다. 현재 거의 모든 반도체 웨이퍼는 구하기 쉬운 실리콘 소재로 만든다. 그러나, 실리콘 반도체는 회로 폭이 수 나노미터 단위로 좁아지면, 반도체 내 전자가 원하지 않는 방향으로 흐르는 ‘터널링 효과’가 나타나는 문제가 있다. 이 때문에 초미세 반도체 개발을 위해 실리콘을 대체할 후보 물질로 그래핀, 흑린 등 2차원 소재 연구가 한창이지만, 아직 상용화에 이르지는 못했다.

 

기초과학연구원(IBS) 연구팀이 또 다른 2차원 소재인 ”전이금속 디칼코게나이드“ (TMD. transition metal dichalcogenide)의 상용화를 앞당길 핵심 원리를 밝혔다. TMD는 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te) 등의 칼고켄 화합물과 전이 금속으로 이뤄진 반도체 물질이다. 연구팀은 이론적 계산을 토대로 TMD를 성장시킬 수 있는 기판을 선택하는 원리를 제시하고, 이를 ‘이중 결합 유도 에피텍셜 성장법’이라 이름 붙였다. 고성능의 웨이퍼를 만들기 위해 주로 ‘에피텍셜 성장법’이라는 제조법을 이용한다. 이 제조법의 핵심은 기판에서 성장하는 모든 결정의 방향을 똑같도록, 즉 단결정으로 만드는 것이다. 그러나, TMD는 두 가지 원소로 구성되어 있어서 기판 위에서 성장할 때, 결정의 방향이 무작위로 정해지는 문제가 있다.

 

연구팀은 기판의 재료로 사파이어를 사용했다. 사파이어 원자를 계단형으로 배열한 기판에 이황화텅스텐(WS2) 입자를 증착하면, 계단 구조를 따라 만들어진 결정이 한 방향으로 정렬하는 것으로 나타났다. 이렇게 핵 생성이 이뤄진 뒤, 핵을 중심으로 단방향의 결정이 점차 성장하여 최종적으로 기판과 같은 크기의 대면적 단결정을 이뤘다.

 

연구팀은 이론적으로 모든 2차원 재료는 적절한 기판을 선택하면, 대면적 단결정으로 성장시키는 것이 가능하다고 밝혔다. 연구팀은 같은 방식으로 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2), 이셀레늄화몰리브덴(MoSe2) 등의 ”전이금속 디칼코게나이드“ (TMD. transition metal dichalcogenide)를 2인치 웨이퍼 크기의 대면적으로 제작하는 데 성공했다. 실리콘을 이을 새 반도체 소재의 실용화를 획기적으로 앞당길 수 있는 전기를 마련한 셈이다.

 

김성균 IBS 다차원 탄소재료 연구단 선임연구원은 “결정 형성 초기 단계의 핵 생성과 성장에 대한 메커니즘을 발견한 것이 주요 성과이다. 모든 종류의 반도체에 이 소재를 적용할 수 있겠지만, 우선 메모리 반도체에 적용될 것으로 예상한다” 라고 말했다. 펑 딩 그룹 리더는 “2차원 소재의 ‘선배 격’인 그래핀과 육방정계 질화붕소(hBN)에 이어 ”전이금속 디칼코게나이드“ (TMD. transition metal dichalcogenide)도 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작할 수 있게 됐다. 2차원 소재 분야의 역사에 남을 기념비적인 연구로, 고성능 전자 및 광학 소자 분야 발전을 견인할 것이다” 라고 말했다. 연구 결과는 나노과학 분야 학술지인 ‘네이처 나노테크놀러지’ 2021년 11월 15일자에 실렸다.