원자 10여개 두께 초박막 2차원 반도체 소자 만들었다
연세대 이관형 교수 "양자이동현상도 첫 관측…양자소자 가능성"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 한국과 미국 공동연구진이 차세대 반도체 소재로 관심을 끄는 이황화몰리브덴과 그래핀, 유전체인 질화붕소를 층상구조로 쌓은 원자 10여개 두께의 초박막 2차원 반도체 소자를 만들었다.
연세대 신소재공학과 이관형 교수와 미국 컬럼비아대 제임스 혼 교수팀은 27일 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology)에서 2차원 신소재를 3개 층으로 쌓아 세계에서 가장 얇은 반도체를 제작, 최고속도의 전하 이동과 양자수송현상을 처음으로 관측했다고 밝혔다.

이황화몰리브덴(MoS₂)은 그래핀과 유사한 층상구조지만 그래핀과 달리 중간의 몰리브덴과 양쪽의 황 원자층으로 샌드위치 구조로 반도체 특성을 보인다.
이황화몰리브덴 소자는 이론적으로는 전하이동도가 매우 높아 미래 반도체 소자로 기대를 모으고 있으나 실험에서는 높은 전극 저항과 무질서한 계면 형성 등으로 전하이동도가 매우 낮아져 성능 발휘에 한계가 있었다.
연구진은 이 연구에서 원자 1개 두께인 이황화몰리부덴과 그래핀 각 한 개 층과 원자 10여개 두께인 질화붕소(hBN) 층을 쌓아 3층 구조의 2차원 박막을 이루면서 매끄러운 계면을 가진 신개념 소자구조를 개발했다.
이 초박막 2차원 소자는 반도체에 중요한 성질인 전하이동도가 -268℃에서 3만4천㎠/Vs로 지금까지 보고된 것 중 최고 수준을 기록했다. 이전에 개발된 이황화몰리부덴 소자는 같은 조건에서 전하이동도가 200~300㎠/Vs에 불과했다.
연구진은 또 극저온 상태의 자기장 내에서 이동하는 전하와 자기장의 상호작용 현상을 측정, 이황화몰리브덴에서 일어나는 양자진동과 양자수송현상(양자-홀 현상)을 세계 최초로 관측했다고 밝혔다.
이는 기존에 고품질 반도체 또는 그래핀에서만 관측됐던 현상을 2차원 반도체에서 처음 확인한 것으로 전자의 파동성질을 이용한 양자수송을 활용하는 신개념 2차원 양자소자를 구현할 수 있는 가능성을 연 것이라고 연구진은 설명했다.
이관형 교수는 "이 연구는 이황화몰리브덴의 빠른 전하 이동과 양자수송 현상을 처음으로 입증한 것으로 향후 세계에서 가장 얇은 반도체를 활용한 차세대 반도체 소자 개발 및 정보통신기술 산업 발전에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

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