거북선 지붕처럼 생긴 원자 두께 반도체 개발

입력 : ㅣ 수정 : 2019-07-28 12:00

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2차원 반도체에 돌기 형태 만들어 3차원 반도체 개발
입체 멤브레인 반도체의 등각 증착 및 분리 과정 모식도 거북선처럼 오돌토돌한 돌기가 돋은 기판에 원자 3 개 두께를 갖는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막이 증착된다. 이는 돌기 말단까지 균일하게 두께를 유지하며, 막 형태로 손쉽게 떼어낼 수 있다.  기초과학연구원(IBS) 제공

▲ 입체 멤브레인 반도체의 등각 증착 및 분리 과정 모식도
거북선처럼 오돌토돌한 돌기가 돋은 기판에 원자 3 개 두께를 갖는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막이 증착된다. 이는 돌기 말단까지 균일하게 두께를 유지하며, 막 형태로 손쉽게 떼어낼 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 제공

국내 연구진이 거북선 지붕처럼 가시가 뻗쳐 나온 새로운 형태의 반도체 소자를 처음으로 개발해 주목받고 있다.

기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계연구단 소속 조문호(포스텍 신소재공학과 석좌교수) 부연구단장팀은 원자 두께 반도체 표면에 돌기가 돋은 형태의 신소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 이번에 개발된 반도체 신소재는 양자컴퓨터 메모리 소자로 활용가능성이 높은 것으로 알려졌다. 이같은 연구결과는 기초과학 및 공학분야 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’ 27일자에 실렸다.

두께가 거의 없는 2차원 반도체는 투명하고 전기전도도가 높아 차세대 초소형, 저전력 전자기기의 핵심으로 주목받고 있다. 2차원 반도체를 실리콘 기판에서 분리하면 유연한 막 형태를 띄어 멤브레인 반도체라고도 부른다. 이 2차원 반도체를 접거나 구부릴 경우 기존과는 다른 독특한 성질이 나타나 많은 연구자들은 주목하고 있다. 문제는 2차원 반도체는 균일한 대면적 합성만이 가능해 구부리거나 접을 경우 찢어지는 경우가 많았다.

연구팀은 10나노미터(㎚) 크기의 바늘모양 돌기들이 규칙적으로 정렬된 지름 4인치 크기의 기판을 제작한 뒤 진공상태에서 유기금속 화합물을 기체형태로 만들어 덮어 씌우는 유기금속화학증착법으로 24시간 동안 이황화몰리브덴이라는 물질을 증착시켰다.

그 결과 몰리브덴 원자 1개와 황 원자 2개가 정확히 층을 이뤄 균일한 두께로 기판 위에 대면적 멤브레인 반도체를 만드는데 성공했다. 2차원 반도체에 돌기를 더해 3차원 형태로 만든 최초의 반도체라는 평가다.
금속 유기 화학 기상 증착을 진행한 증착 장비를 작동시키는 진강태 연구원. 투명한 관 안에 기판을 넣고 기체를 주입한다.  IBS 제공

▲ 금속 유기 화학 기상 증착을 진행한 증착 장비를 작동시키는 진강태 연구원. 투명한 관 안에 기판을 넣고 기체를 주입한다.

IBS 제공

이번에 개발한 반도체는 접착 메모지처럼 간단히 떼었다 붙였다 할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 반도체에 굴곡을 가함으로써 단일 광자가 방출되면서 양자정보를 담을 수도 있어 양자컴퓨터 소자로 활용 가능성이 커졌다.

조문호 교수는 “구조적으로 변형된 반도체에서 단일 광자가 나온다는 연구들은 많았지만 어디서 어떻게 나오는지에 대해서는 정확히 알려지지 않았다”라며 “이번에 개발한 멤브레인 반도체는 광자가 나오는 지점을 조절하는데 활용될 수 있는 만큼 양자컴퓨팅 소자 기술로도 연결할 수 있을 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
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