기초과학연구원(IBS)은 반도체 소재로 쓰이는 실리콘을 대체할 전이금속 디칼코게나이드(TMD)의 상용화 실마리를 찾았다고 16일 밝혔다.

실리콘을 기반으로 하는 반도체 기술이 한계에 도달함에 따라 우수한 물리·전기적 특성은 물론 반도체 특성까지 지닌 TMD는 그래핀·흑린 등과 함께 차세대 반도체 물질로 주목받았으나, 아직 양산에 이르지는 못하고 있다.

IBS 다차원 탄소재료 연구단 펑딩(울산과학기술원 신소재공학과 특훈교수) 그룹리더 연구팀은 베이징대 등 중국 연구진과 함께 TMD가 넓은 면적의 단결정으로 성장하는 데 영향을 미치는 원리를 알아냈다.

연구진은 이황화텅스텐과 이황화몰리브덴, 이셀레늄화텅스텐, 이셀레늄화몰리브덴 등 대표적인 TMD 소재들을 2인치 웨이퍼 크기의 단결정으로 제작하는 데도 성공했다.

단결정은 물질 구성 원자의 배열이 규칙적이며, 하나의 배향(원자들이 이어진 방향성)을 갖는 형태다. 배향이 다른 단결정 여러 개로 이뤄진 다결정보다 품질은 우수하지만, 상용화가 가능한 수준으로 크게 합성하기 어렵다.

공동연구진은 이론적 계산을 토대로 독특한 대칭구조를 가진 TMD 맞춤형 기판을 선택하는 원리를 제시한 뒤 이를 '이중결합 유도 에피텍셜 성장법'이라 이름 붙였다.

단결정 기판 위에 결정 방위를 갖춘 단결정 박막을 성장시키는 방법으로, 고성능 반도체 집적회로를 만들 때 유리하다.

펑딩 그룹리더는 "선배 격 2차원 소재인 그래핀 등에 이어 TMD도 웨이퍼 크기 단결정으로 제작할 수 있게 됐다"며 "실리콘을 이을 새 반도체 소재 상용화를 획기적으로 앞당길 전기를 마련한 셈"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 나노과학 분야 권위지인 '네이처 나노테크놀러지'(Nature Nanotechnology)에 실렸다.