기초과학연구원(IBS) 반데르발스 양자물질연구단 조문호 단장 연구팀이 양자 등급의 초고순도 2차원 반도체를 웨이퍼 크기의 대면적으로 합성하는 데 세계 최초로 성공했습니다.

세상에서 가장 얇은 반도체로 불리는 2차원 반도체는 두께가 얇아 전자가 이동할 때 양자 효과가 강하게 나타나 차세대 반도체 소재로 주목받고 있습니다.

하지만 크게 만들수록 품질이 급격히 떨어지는 문제가 있어 양자 특성을 구현할 만큼 결함이 적은 고품질 2차원 반도체를 웨이퍼 수준으로 넓게 합성하는 것은 아직 해결되지 않은 난제로 남아 있습니다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 비스듬히 자른 사파이어 기판을 합성 템플릿으로 도입했습니다.

사파이어 평면을 15도 각도로 비스듬히 자르면표면에 1나노미터도 채 되지 않는 간격으로 원자 단위 계단 구조가 반복됩니다.

여기에 2차원 반도체 소재 이황화몰리브덴을 같은 방향으로 증착 성장시키자 뾰족한 계단 모서리에서만 핵생성이 일어나 모든 결정이 동일 방향으로 정렬되면서 경계 결함이 전혀 없는 대면적 단결정 박막이 형성됐습니다.

연구팀은 온도·압력 등 성장 조건을 정밀 최적화해 점 결함까지 최소화된 최고 품질의 이황화몰리브덴 박막을 얻었고, 이를 원자 해상도 투과전자현미경으로 직접 확인했습니다.

이렇게 결함을 최소화한 단결정 이황화몰리브덴으로 제작한 트랜지스터는 기존 다른 합성 방식으로 만든 소자보다 전반적으로 우수한 전기적 특성을 보였습니다.

연구팀은 이 박막을 극저온에서 측정해 전자가 결함과 열의 영향을 거의 받지 않는 환경을 만들었고, 그 결과 자기장에 따른 저항의 주기적 변화인 양자 진동을 대면적 2차원 반도체에서 세계 최초로 관측했습니다.

양자 진동은 결정 품질이 매우 높고 전자의 이동 경로가 깨끗해야만 관찰되는 현상입니다.

조문호 연구단장은 "웨이퍼 규모의 2차원 양자 전자 시스템을 구현했고, 이를 토대로 차세대 반도체 또는 양자 소자 분야에서 다양한 후속 연구로 이어질 것"이라고 말했습니다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics) 11월 27일 자 온라인판에 실렸습니다.

TJB 대전방송