기초과학연구원(IBS)은 반데르발스 양자 물질 연구단의 조문호 단장 연구팀이 '양자 등급(quantum grade)'의 초고순도 2차원 반도체를 대면적으로 합성하는데 세계 최초로 성공했다고 28일 밝혔다.

이는 고성능 반도체 집적회로를 구현하기 위한 차세대 기반 소재이자 신개념 양자 소자 개발을 견인할 핵심 기술로 평가된다고 IBS는 설명했다.

세상에서 가장 얇은 반도체인 2차원 반도체는 새로운 양자 현상을 탐구할 수 있는 차세대 물질 플랫폼으로 주목받고 있다.

그동안 결정성이 정제된 고품질의 2차원 반도체를 대면적으로 합성하는 것은 과제로 남아 있었다.

연구팀은 이 난제를 해결하려고 독특한 사파이어 기판을 합성 틀로 활용했다.

단결정 사파이어 특정 평면을 15도의 높은 각도로 비스듬하게 자르면 촘촘한 간격의 계단이 무한 반복되는 단면 구조가 나타난다.

그 위에 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)을 기판 결정 구조에 맞춰 동일한 방향으로 정렬되게 증착하면 결정이 하나의 배향 방향으로 통일된다. 동일 배향의 결정이 커지는 과정에서 만나면 결과적으로 경계 결함이 없는 단결정 박막이 대면적으로 형성된다고 연구팀은 설명했다.

이를 통해 연구진은 온도와 압력을 비롯한 최적의 합성 조건을 찾아 결함이 최소화된 최고 품질의 MoS2 박막을 만들었다.

이 박막의 무결성은 고해상도 투과전자현미경을 통해 확인했다.

연구팀이 합성한 단결정 MoS2는 기존의 다른 합성 방식으로 제조된 MoS2 소자들과 비교해 전반적으로 더 우수한 트랜지스터 성능을 나타냈다.

고체 내의 전자 움직임을 방해하는 요소는 크게 결함과 열로 구분된다.

연구팀이 고순도 단결정 MoS2를 극저온으로 냉각해 결함과 열에서 자유로운 환경을 만들어 준 결과 전자가 매우 빠르게 이동하며 자기장과 상호작용하며 양자 진동 현상을 유발했다.

이는 대면적 2차원 반도체에서 양자 수송 현상을 관찰한 세계 최초의 사례라고 연구팀은 밝혔다.

조문호 연구단장은 "기판 결정 구조에 맞춰 MoS2 결정 층을 동일한 방향으로 증착하는 방식(에이택시 성장)으로도 '양자 등급'의 원자층 반도체를 구현한 것이 중요한 성과"라고 강조했다.