반도체성-금속성 자유롭게 제어해 '2차원 물질 합성' 성공

▲다형체 원자층 물질 합성을 통한 2차원 전자소자 구현의 모식도

기초과학연구원(IBS)은 원자제어 저차원 전자계 연구단 소속 조문호 부연구단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀이 반도체성과 금속성을 선택적으로 제어해 새로운 2차원 물질을 합성하는데 성공했다고 18일 밝혔다.

원자층 수준의 2차원 물질 중 일부는 금속성을 띠고 일부는 반도체 성질을 갖도록 한 것으로, 원자 수준에서 '반도체-금속 접합 구조'를 합성한 것은 처음이다.

연구팀은 2차원 전위 장벽을 동일 원자층 내에서 1차원으로 구현해 전위 장벽을 낮춘 고성능 트랜지스터 소자를 선보였다.

기존 실리콘 반도체 소자는 반도체와 금속 접합이 2차원 평면이지만 동일 원자층 내에서의 접합은 선으로 이루어지므로 전위 장벽이 1차원이 된다.

두 물질이 접할 때 전위차 때문에 전자의 이동이 방해받는 곳이 전위 장벽이다.

이 때 발생하는 저항을 접촉 저항이라 하며, 전위 장벽이 높으면 접촉 저항도 커져 반도체 소자의 성능은 떨어진다.

이번 연구결과로 그래핀 등 2차원 물질로 반도체 소자를 만들 때 발생하는 접촉 저항 문제가 해결될 것으로 기대된다.

접촉 저항이 줄면 획기적인 반도체 기술개발로 이어질 가능성이 크다.

조 부단장 연구팀은 2차원 반도체 물질인 전이금속-칼코겐 층상 화합물로 신물질을 합성했다.

전이금속 칼코겐 화합물은 그래핀과 유사한 2차원 층상구조 물질로 투명성과 유연성이 우수해 차세대 전자소자로 주목받는다.

전이금속과 칼코겐 원자 간에 다양한 화학결합이 가능하기 때문에 단일 물질로 반도체성과 금속성이라는 다른 성질을 선택적으로 구현할 수 있다.

연구팀은 이러한 특성에 주목해 전이금속-칼코겐 화합물의 일종인 이텔루륨화몰리브덴(MoTe₂)을 기상 원자층 증착법(CVD)으로 합성시 증착 온도가 상대적으로 저온에서는 반도체성을, 고온에서는 금속성을 띤다는 사실을 확인했다.

CVD는 원하는 물질을 포함하는 고체나 기체를 높은 열에서 기화시켰을 때 물질 간 화학반응으로 원하는 기판 위에 소재를 형성하고 합성하는 방법이다.

▲ 증착 온도를 달리해 금속과 반도체로 성질이 나뉜 이텔루륨화몰리브덴

연구팀은 동일 원자층 평면 내에 넓은 면적으로 합성하는 데도 성공했다.

연구팀은 이셀레늄화텅스텐(WSe₂), 이텔루륨화텅스텐(WTe₂) 등 다른 종류의 전이금속-칼코겐 화합물에서도 반도체성과 금속성을 선택적으로 제어 가능하다는 것을 확인했다.

연구팀의 원자층 증착법을 통한 신물질 합성은 원자 수준에서 반도체성, 금속성의 이종 물질 접합이 가능하며 다른 다양한 2차원 원자층 물질 합성으로 확장될 수 있다.

조문호 부연구단장은 "원자층 수준의 2차원 신물질 합성이 새로운 반도체 기술에 직접적으로 적용된 연구 결과"라고 말했다.

한편, 연구성과는 18일 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 온라인판에 실렸다.
최소망 기자 somangchoi88@