거북선의 지붕처럼 오돌토돌 정교한 가시가 돋친 새로운 구조의 반도체 소자가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 원자제어 저차원 전자계 연구단(단장 염한웅) 조문호 부연구단장(POSTECH 신소재공학과 무은재 석좌교수) 연구팀은 원자 두께 반도체 표면에 돌기가 돋은 형태의 신소재를 개발했다. 향후 양자컴퓨터의 메모리소자로 활용될 가능성이 기대된다.

두께가 거의 없는 2차원 반도체는 투명하고 전기전도도가 높아 차세대 초소형․저전력 전자기술의 후보로 꼽힌다. 2차원 반도체를 실리콘 기판에서 분리하면 유연한 막이 되는데 이를 ‘멤브레인(membrane) 반도체¹⁾’라고 부른다. 더욱이 2차원 반도체를 접거나 구부려 입체감을 부여할 경우 기존과는 다른 독특한 성질이 나타난다. 하지만 지금까지 2차원 반도체의 균일한 대(大)면적 합성은 평면 형태로만 가능했다. 극도로 얇은 두께로 인해 굴곡 부분이 찢어지거나 구겨져 불완전했기 때문이다.

연구진은 멤브레인 반도체를 입체 구조로 만들기 위한 연구를 진행했다. 우선 10 nm (나노미터․1nm는 10억 분의 1m) 크기의 바늘모양 돌기들이 규칙적으로 정렬된 지름 4인치 크기 기판을 제작했다. 그 위에 유기금속화학증착법²⁾을 이용해 24시간가량 천천히 이황화몰리브덴(MoS₂)을 증착시켰다.

그 결과 몰리브덴(Mo) 원자 1개와 황(S) 원자 2개가 정확히 층을 이루어 균일한 두께로, 기판 위에 대면적 멤브레인 반도체를 만드는 데 성공했다. 2차원 반도체의 X-Y축 평면에 Z축 성분인 돌기를 더해 3차원이 된 것인데, 이는 세계 최초의 3차원 원자층 반도체다. 원자층 반도체에 3차원으로 기하적 변형을 가하면 새로운 기능을 부여할 수 있어 효용이 크다.

연구진은 개발한 3차원 멤브레인 반도체를 양자컴퓨터 기술로 발전시킬 가능성을 탐색하고 있다. 반도체에 굴곡을 가하면 단일 광자³⁾가 나오는 것으로 알려져 있는데, 단일 광자는 양자컴퓨터의 정보 저장 단위인 큐빗(qubit)⁴⁾의 후보 중 하나다. 광자의 성질에 따라 양자 정보를 담을 수 있기 때문이다.

개발된 반도체는 접착메모지처럼 간단히 떼었다 붙였다 할 수 있는 것도 장점이다. 보통 증착 방식으로 만든 반도체는 실리콘 기판과 강한 결합을 이루고 있기 때문에 산성약품을 이용해 떼어내는 것이 일반적이다. 하지만, 연구진이 사용한 이황화몰리브덴(MoS₂)은 기판과 약하게 결합하기 때문에 간단히 물에 담가 기판에서 떼어낼 수 있다. 떼어낸 멤브레인 반도체는 새로운 기판이나 플라스틱, 인체 피부 등 다양한 표면에 붙일 수 있다.

교신저자인 조문호 부연구단장은 “구조적으로 변형이 일어난 반도체에서 단일 광자가 나온다는 보고가 있었지만, 어디서 어떻게 나오는지에 대해서는 알려진 바 없다”며 “개발한 멤브레인 반도체는 광자가 나오는 지점을 조절하는 연구에 쓰일 수 있어 향후 양자컴퓨팅 소자 기술로도 연결될 수 있다”고 말했다.

이번 연구성과는 세계적인 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF 12.804)지에 7월 27일 새벽 3시(한국시간) 온라인 게재됐다.

그림설명

▲ 그림 1. 입체 멤브레인 반도체의 등각 증착 및 분리 과정 모식도거북선처럼 오돌토돌한 돌기가 돋은 기판에 원자 3 개 두께를 갖는 이황화몰리브덴(MoS₂) 박막이 증착된다. 이는 돌기 말단까지 균일하게 두께를 유지하며, 막 형태로 손쉽게 떼어낼 수 있다.

▲ 그림 2. 입체 돌기 형태의 멤브레인 반도체 모식도와 전자현미경 이미지기판에서 분리돼 물에 떠 있는 멤브레인 반도체 사진(왼쪽). 실제 전자현미경으로 멤브레인 반도체를 촬영한 사진(가운데). 돌기 한 개의 말단 부분을 촬영한 사진(오른쪽).

▲ 그림 3. 4인치 기판 크기로 합성된 입체 멤브레인 반도체와 완벽하게 제어된 단일층 증착금속 유기 화학 기상 증착법을 이용해 지름 4인치 기판 크기로 합성된 이황화몰리브덴(MoS₂) 단일 분자층 멤브레인 반도체(왼쪽). 이 단일층 멤브레인 반도체는 수 나노 미터의 급격한 곡률을 갖는 표면에서 완벽한 등각 증착이 가능함을 확인했다..

▲ 그림 4. 증착 장비와 공동 제1저자인 진강태 연구원금속 유기 화학 기상 증착을 진행한 장비. 투명한 관 안에 기판을 넣고 기체를 주입한다.