단분자 두께의 반도체박막 4인치 대면적 제작 성공
코넬대 박지웅 교수 "고효율 투명·웨어러블 광전소자 가능성 연 것"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 미래 투명소자나 착용형(웨어러블) 소자의 소재로 주목받는 반도체 물질 이황화몰리브덴(MoS₂)과 이황화텅스텐(WS₂)을 원자 3개 두께로 균일하게 지름 10㎝의 대면적으로 성장시키는 기술이 처음으로 개발됐다.
미국 코넬대 박지웅 교수팀은 29일 국제학술지 '네이처(Nature)'에서 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐을 4인치 실리콘 웨이퍼 위에 단분자층의 균일한 두께와 높은 전자이동도를 가진 반도체막으로 성장시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구진은 이 연구는 분자 한층 두께의 반도체 막을 성장시켰다는 의미와 함께 투명 기판 또는 휘어지는 기판 위에 고효율의 광전 소자를 제작할 가능성을 연 것이라고 설명했다.
이 연구는 박 교수가 미래창조과학부 나노·소재기술개발사업(총괄책임자: 홍석륜 세종대 그래핀연구소장)의 지원을 받아 수행했다.

원자 몇개 또는 단분자층 두께의 반도체막은 투명 소자나 웨어러블 소자에 적용할 수 있어 관심을 끌고 있으나 널리 사용되는 반도체 물질인 규소(Si)를 이 정도로 얇고 결정성이 좋은 박막으로 만들기는 어렵다.
최근 단분자 두께로 화학적으로 만들 수 있는 반도체 물질인 이황화몰리브덴 등 전이금속 칼코겐 화합물 (TMD) 결정이 발견되면서 단분자 반도체 박막의 구현 가능성이 열렸으나 두께가 균일하고 높은 전자이동도를 가진 고품질 대면적 박막을 만드는 것은 불가능했다.
반도체 소자를 산업화하기 위해서는 실리콘 반도체 웨이퍼처럼 대면적으로 제작하는 기술이 필수적이다.
연구진은 이 연구에서 화학 반응을 이용해 기판 위에 금속 산화막을 만드는 유기금속화학증착법으로 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐을 4인치 웨어퍼 위에 단분자층 반도체막으로 성장시키는 데 성공했다.
연구진은 또 반도체공정에 쓰는 포토리소그리피 기술을 이용해 단분자층 반도체막으로 집적소자를 구현하고 이 집적소자가 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐 단결정에 버금가는 광학적, 전기적 특성을 보인다는 사실을 확인했다.
박지웅 교수는 "이 기술은 이황화몰리브덴과 이황화텅스텐의 단분자막 성장뿐 아니라 다른 금속-칼코겐 화합물 성장에도 적용할 수 있다"며 "이를 통해 투명디스플레이나 웨어러블 광전소자, 극저전력 소자를 구현할 수도 있을 것"이라고 말했다.

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