실리콘 기반 반도체 기술이 성능 한계에 도달함에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 소재 개발이 요구되는 상황이다. 우수한 물리적‧전기적 특성을 지닌 전이금속 디칼코게나이드(TMD)¹⁾는 그래핀, 흑린 등과 함께 차세대 반도체 물질로 각광받고 있다. 전 세계 연구실에서 경쟁적으로 이 소재를 연구하고 있지만, 아직 양산에 이르지는 못했다.

전이금속 디칼코게나이드의 상용화를 앞당길 핵심 원리가 밝혀졌다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 다차원 탄소재료 연구단 펑딩 그룹리더(UNIST 신소재공학과 특훈교수) 연구팀은 베이징대 등 중국 연구진과 함께 전이금속 디칼코게나이드의 대면적 단결정 성장에 영향을 미치는 핵심 원리를 규명했다. 더 나아가 공동연구진은 이황화텅스텐(WS₂) 등 대표적인 전이금속 디칼코게나이드 소재들을 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작하는 데도 성공했다.

반도체를 피자에 비유한다면, 웨이퍼는 도우다. 도우의 상태가 피자의 맛에 결정적이듯, 웨이퍼의 품질은 반도체의 성능을 좌지우지한다. 이때 고성능의 웨이퍼를 만드는 데 주로 쓰이는 성장법이 ‘에피텍셜 성장²⁾’이다. 에피텍셜 성장의 핵심 기술은 기판에서 성장한 모든 작은 단결정이 균일하게 정렬되도록 하는 것이다. 하지만, 전이금속 디칼코게나이드의 경우 기판 선택이 까다롭다. 2가지 원소로 구성되어 있어 구조적인 대칭점이 중심이 아닌 가장자리에 위치하기 때문이다.

이번 연구에서 공동연구진은 이론적 계산을 토대로 독특한 대칭구조를 가진 전이금속 디칼코게나이드 맞춤형 기판을 선택하는 원리를 제시하고, 이를 ‘이중결합 유도 에피텍셜 성장법’이라 이름 붙였다. 예컨대, 이황화텅스텐(WS₂)의 경우 합성과정에서 두 가지 역평행 방향³⁾을 선호하는 데, 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하면 기판 위 스텝 가장자리에서 성장한 모든 이황화텅스텐이 단방향으로 정렬된다. 스텝 가장자리에서 결정 알갱이들은 점점 성장하여 최종적으로 기판과 동일한 크기의 대면적 단결정을 이룬다.

제1저자인 팅 청(Ting Cheng) 연구원은 “‘이중결합 유도 에피텍셜 성장법’을 토대로 적절한 기판을 선택하면, 이론적으로 모든 2차원 재료를 대면적 단결정으로 성장시키는 것이 가능하다”고 설명했다.

같은 방식으로 공동연구진은 이황화몰리브덴(MoS₂), 이셀레늄화텅스텐(WS_e2), 이셀레늄화몰리브덴(MoS_e2) 등의 전이금속 디칼코게나이드를 2인치 웨이퍼 크기의 대면적으로 제작하는 데 성공했다. 실리콘을 이을 새 반도체 소재의 실용화를 획기적으로 앞당길 수 있는 전기를 마련한 셈이다.

펑 딩(Feng Ding) 그룹리더는 “2차원 소재의 ‘선배 격’인 그래핀과 육방정계질화붕소(hBN)에 이어 전이금속 디칼코게나이드도 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작할 수 있게 됐다”며 “2차원 소재 분야의 역사에 남을 기념비적인 연구로, 고성능 전자 및 광학 소자 분야 발전을 견인할 것”이라고 말했다.

연구결과는 11월 16일 새벽 1시(한국시간) 나노과학 분야 권위지인 '네이처 나노테크놀러지'(Nature Nanotechnology, IF 39.213)에 실렸다.

※ 논문명 : Dual-coupling-guided epitaxial growth of wafer-scale single-crystal WS2 monolayer on vicinal a-plane sapphire

a Single-Crystal WS2 b Sapphire Wafer <1100> c O2 etching etched hole
▲ [그림 1] 절연체 위에서 이황화텅스텐이 성장하는 모습단결정 이황화텅스텐을 사파이어 웨이퍼 위에서 O2 에칭 후 합성한 광학 이미지.

Without Step a b Sapphire WS2 With Step c <1100> d Step
▲ [그림 2] 절연체 위에서 계단 가장자리 유무에 따른 이황화텅스텐 합성 차이이황화텅스텐이 선호하는 역평행 방향을 가진 사파이어 표면(a)에서 이황화텅스텐은 단계적으로 성장하여 단방향 정렬된다.

1) 전이금속 디칼코게나이드(TMD‧Transition Metal Dichalcogenide): 황(S), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te) 등의 칼고켄 화합물과 전이금속으로 이뤄진 반도체 물질

2) 에피텍셜 성장(Epitaxial Growth): 단결정 기판 위에서 결정 방위가 갖춰진 단결정 박막을 성장시키는 방법. 고품질의 결정 구조를 다양한 적층 구조로 만들 수 있어 고성능 반도체 집적회로를 만들기 유리하다.

3) 역평행방향(antiparallel): 2차원 전이금속 디칼코게나이드의 두 결정이 서로 같은 형태의 결정구조를 가지고 있지만, 결정의 방향이 서로 반대인 상태