2차원 반도체 상용화 앞당길 측정기술 개발

2019.10.02 12:50
한국표준과학연구원 양자기술연구소 연구팀이 2차원 반도체 물질의 양자전기물성 측정결과를 검증하고 있다. 한국표준과학연구원 제공.
한국표준과학연구원 양자기술연구소 연구팀이 2차원 반도체 물질의 양자전기물성 측정결과를 검증하고 있다. 한국표준과학연구원 제공.

국내 연구진이 차세대 신소재로 주목받는 2차원 반도체 상용화를 앞당길 수 있는 측정 기술을 개발했다. 

 

한국표준과학연구원은 정수용 양자기술연구소 책임연구원과 김용성 책임연구원, 김학성 선임기술원으로 구성된 연구진이 2차원 반도체성 전이금속 ‘디칼코게나이드(SC-TMD)’ 화합물의 양자전기물성을 측정하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. 그동안 이론적 예측으로 도출된 물성값을 정확한 측정으로 규명해 2차원 반도체의 응용성을 한 차원 높일 것으로 전망된다. 

 

SC-TMD는 물성이 다양해 차세대 전기, 광학소재로 각광받고 있다. 이황화텅스텐, 이황화몰리브덴 등이 대표적인 물질이다. 우수한 물리화학적 특성은 물론 반도체 특성까지 보유해 산업 응용 가능성이 높은 게 장점이다. 

 

이 물질은 실리콘 반도체를 대체할 미래 반도체 기술로 꼽히지만 물질 자체가 지닌 물리적 성질에 대한 비밀이 명확히 풀리지 않아 상용화 단계에서 어려움을 겪고 있다. 

 

특히 물질 내부에 존재하는 ‘원자 결함’은 ‘양날의 검’과 같다. 원자결함이 만드는 결함상태는 물질의 도핑 정도를 조절하고 ‘P형’, ‘N형’과 같은 반도체 특성을 결정짓는 중요한 요소지만 전자 이동도를 억제하는 등 성능을 저해하는 원인으로도 작용한다. 원자결함을 인위적으로 제어할 수 있다면 SC-TMD 물질은 다양한 기능을 손쉽게 변화시킬 수 있는 신개념 소자로 만들 수 있다. 

 

원자결함을 제어하려면 결함 상태에 대한 정확한 이해가 필요하다. 그러나 원자결함은 그동안 투과전자현미경(TEM)을 이용해 관찰하는 데 그쳤다. 이미지만으로는 물질의 구조와 관련된 물성값을 제시할 수 없어 대부분 이론적 예측에만 의존했다. 

 

연구진은 육각질화붕소 박막, 흑연, 그래핀, SC-TMD 등 2차원 물질이 적층된 수직이종접합 구조를 제적하고 전자터널링분광법을 이용해 양자전기물성을 정확하게 측정했다. 고유 물성값은 물론 원자결함 상태의 기원과 영향력까지 규명하는 데 성공했다. 

 

정수용 책임연구원은 “원자결함 제어의 가능성을 제시한 이번 기술은 2차원 반도체의 응용성을 폭넓게 확장시킬 것”이라고 말했다. 
 

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