차세대 반도체 또는 양자 소자에서 활용될 기반 기술
포스텍은 신소재공학과 조문호 교수 연구팀이 결함이 거의 없는 '양자 등급'의 2차원 반도체를 대면적 단결정 박막으로 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 28일 밝혔다.
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| ▲ 포스텍 신소재공학과 조문호 교수. [포스텍 제공] |
이번 연구는 차세대 저전력 로직 반도체 칩과 양자 소자 개발을 앞당길 선행 기술로 평가받으며 '네이처 일렉트로닉스'에 게재됐다.
원자 3층 두께의 '2차원 반도체'는 그 독특한 구조 때문에 새로운 양자 현상을 탐구할 수 있는 차세대 물질 플랫폼으로 주목받고 있다.
대표적인 예가 '이황화몰리브덴(MoS₂)'이다. 그런데 지금까지는 이런 얇은 이차원 반도체를 웨이퍼 수준의 큰 면적에서 양자 수송 특성을 구현할 수 있을 만큼 결정성이 정제된 상태로 합성하는 것은 어려웠다.
반도체가 대면적으로 합성되는 과정에서 발생하게 되는 점 결함이나 경계 결함 등이 전자의 흐름을 방해하여 성능이 떨어지기 때문에 깨끗한 단결정 구조를 유지한 채 대면적으로 합성하는 것은 숙제로 남아 있었다.
연구팀은 독특한 방법을 썼다. 바로 '비스듬히 잘린 사파이어 기판'을 활용한 것이다. 사파이어 기판을 15도 기울여 자르면 표면에 아주 촘촘한 계단 모양이 무한히 반복되는 구조가 생기는데, 이 계단 모서리에서만 MoS2가 자라도록 유도하면 모든 결정이 똑같은 방향으로 성장하게 된다. 그 결과, 경계 결함이 없는 매끈한 단결정 반도체 박막을 크게 만들 수 있었다.
또한 연구팀은 온도와 압력 등 합성 조건을 세심하게 조절해 점 결함까지 최소화된 최고 품질의 MoS₂ 박막을 만들었고 이를 고해상도 투과전자현미경 등을 활용하여 직접 확인했다.
이는 기존 방식으로 만든 것보다 훨씬 뛰어난 성능을 갖는 트랜지스터 성능이다. 연구팀은 한 걸음 더 나아가 저온에서 전자의 수송이 양자적으로 거동되며 이는 외부 자기장하에서 양자 진동과 양자 간섭' 현상에 의해 규명되었다.
대면적 2차원 반도체에서 이러한 양자 수송 현상을 관찰한 것은 이번 연구가 처음이다.
조문호 교수는 "이번 연구는 웨이퍼 크기에서도 양자 소자급 2차원 반도체를 구현할 수 있음을 보여줬다"며 "이는 차세대 반도체 또는 양자 소자에서 활용될 기반 기술로서 다양한 후속 연구에서 활용될 수 있다"고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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