이황화몰리브덴(MoS2)은 황(S)과 몰리브덴(Mo)이 공유결합한 물질로, 2차원 단일층 구조를 형성해 나노미터(1nm=10억분의 1m) 수준보다 얇은 두께의 초박막(나노박막)으로 만들 수 있다. 이렇게 만든 나노박막은 반도체 기능 구현이 가능해 실리콘 대체 소재로 꼽힌다. 특히 다른 차세대반도체 소재와 비교했을 때 실용화에 근접한 수준으로 연구가 진척돼, 세계적으로 많은 관심을 끌고 있다. 현재는 물리·화학적 특성을 구체적으로 규명하는 실험이 본격적인 상용화를 위해 필요한 단계다.

IBS 나노구조물리 연구단(단장 이영희)은 이황화몰리브덴 박막을 효율적으로 형성하는 방법을 개발한 바 있다. 최근에는 나노박막의 전기적 특성을 구체적으로 조사해 차세대 반도체 소재 개발에 중요한 이정표를 마련했다. 이번 연구는 전류측정팀, 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)팀, 이론계산팀이 각자의 전문성을 살려 수행한 집단연구로, 이황화몰리브덴 단일층 나노박막에서 결정립계면의 전기적 특성을 세계 최초로 규명해냈다.

연구진은 불활성가스를 채운 글러브박스에서 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)으로 이황화몰리브덴 나노박막을 제작, 여러 결정립계면의 전하이동도를 측정했다. 이후 고해상도 투과전자현미경으로 개별 결정립계면의 각도와 원자결합구조를 확인하고, 이를 통해 각각 다른 각도로 틀어진 결정립계면들의 전하이동도를 측정해 이론적 ‘투과장벽’ 높이를 산출해냈다. 투과장벽은 전자를 포함한 양자의 이동을 제어 하는 장벽으로 반도체가 제대로 작동하는 데 핵심적인 요소다. 미시적 수준에서 양자가 장벽을 가로지르기 위해 넘어야 하는 에너지의 양이 투과장벽을 형성하며, 양자는 주변 투과장벽의 모양과 세기에 따라 존재할 수 있는 위치가 결정된다. 이해를 돕기 위해 양자를 구슬, 에너지 장벽을 구슬이 이동하도록 패인 홈이라 가정 해보자.

▲ 이황화몰리브덴의 전기적 성질을 측정한 방법의 개요.

양자는 홈을 따라 굴러가는 구슬처럼 장벽을 따라 일정한 경로로만 이동할 것이다. 이러한 특성을 이용해서 반도체 회로를 구성한다. 하지만 장벽이 일정 두께 이하로 미세해지면 양자가 장벽을 무시하고 이동하는 ‘양자터널링’이 일어나 양자를 제어하기 어려워진다. 만약 현재의 반도체소자인 실리콘보다 투과장벽이 높은 소재를 사용하면 동일한 수준의 미세공정에서도 양자터널링이 일어날 가능성을 낮출 수 있어, 같은 용적에 더 뛰어난 성능을 구현할 수 있다. 이 때문에 차세대 반도체 소재 연구는 투과장벽이 높으면서도 실리콘처럼 가공이 쉽고 저렴한 소재를 찾아내는 데 집중돼 있다.

이번 연구에서 이황화몰리브덴 나노박막은 결정립계면의 전하이동도가 실리콘보다 훨씬 낮게 나와 전자의 투과장벽이 높음을 확인했으며, 연구진은 세부 데이터를 바탕으로 결정립계면의 이론적 투과장벽높이를 계산해냈다.

이로써 기존 연구결과와 달리 이황화몰리브덴도 그래핀처럼 결정립계면에서 전하이동도가 저하되며, 그 틀어진 각도가 전하이동도에 영향을 주는 것을 최초로 입증해 보였다. 또한 불활성가스로 이황화몰리브덴의 산화반응을 최소화해 기존연구 대비 최대 10배 이상 우수한 전하이동도 값을 얻는 동시에, 투과전자현미경을 활용해 신뢰성을 더했다.

특히 이번 연구방법은 다른 층상구조 반도체 물질에도 적용하면 물질의 특성을 보다 정밀하게 파악할 수 있을 것으로 보인다. 연구진은 향후이 같은 데이터를 바탕으로 차세대 반도체 구현의 시기를 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.