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유니스트(UNIST, 울산과학기술원) 신소재공학부 권순용 교수팀은 '고성능 초미세 반도체'의 소자 구현에 걸림돌이던 2차원 금속 전극 물질을 4인치(inch) 직경의 실리콘 기판에 원하는 형태로 합성하는데 성공함. 이번 성공으로 반도체 소자 미세화를 앞당길 것이라고 전망됨.

반도체 소자는 '전자가 원하는 때, 특정한 위치와 방향으로 움직일 때'에 제대로 작동함. 문제는 칩 하나에 더 많은 소자를 넣겠다고 개별 소자를 작게 만들면 전자가 원치 않는 데로 흐르는 현상인 터널링 효과가 발생한다는 것임. 이를 해결하기 위해 매우 얇은 2차원 반도체 물질을 사용하려는 논의가 있지만 이에 걸맞은 전극은 개발되지 않았었음.

반도체 소자에는 금속이나 절연체도 함께 들어가는데 반도체 물질만 바꾸면 높은 '에너지 장벽'이 나타나 전자 이동이 어려워짐. 때문에 고성능 초미세 반도체 소자를 구현하기 위해서는 2차원 전극 물질도 새로 합성해야 함.

권순용 교수팀은 초미세 반도체의 전극 물질로 활용할 수 있는 '2차원 텔루륨화 화합물(Transition Metal Ditelluride)'을 대면적으로 합성하는데 성공함. 텔루륨화 화합물은 2차원 반도체 소자에 적용 가능한 전극 물질로 알려졌지만 텔루륨(Te) 자체가 불안정한 물질이라 화합물을 만들기 어려웠음. 연구팀은 '금속합금 원료에서 증발한 텔루륨 기체를 가두는 공법'을 도입해 문제를 해결함.

제1저자로 유니스트 신소재공학과 박사과정에 있는 송승욱 연구원은 "구리(Cu)나 니켈(Ni) 같은 특정 금속에 텔루륨을 적당량 첨가하면 비교적 낮은 온도에서도 액화된다는 사실을 확인했다"고 밝힘. 이어 "그런 액체에서 방출되는 텔루륨 원자들을 가두어 반응시키는 성장기법을 써서 2차원 금속 전극 물질을 대면적으로 합성했다"고 설명함.

새롭게 합성된 2차원 전극 물질은 합성 중 결함이 거의 발생하지 않았음. 기계적으로 떼어낸 2차원 물질과 견줘도 좋을 정도로 우수한 물리적·전기적 물성을 나타냈음. 또 전체 공정이 500℃ 미만의 비교적 낮은 온도에서 몇 분 만에 진행돼 기존 반도체 공정을 그대로 사용할 수 있어 비용 절감도 가능함.

본 연구 성과는 ‘Nature Electronics’ 지에 게재됨.