차세대 반도체 소재로 각광을 받고 있는 이황화몰리브덴의 전자 이동도를 극대화하는 방법이 국내 연구진에 의해 규명되었다.
이황화몰리브덴은 대면적 합성 및 대기 안정성, 높은 전도성 등의 다양한 장점으로 인해 반도체, 광전자소자 등의 차세대 전자 소재로 활발히 연구되고 있다.
본 연구결과는 세계 최고 과학전문지인‘Science’의 자매지로 자연과학의 모든 분야에 걸쳐 수준 높은 논문이 출판되는 학술지인 ‘Science Advances’에 2022년 9월 21일자로 게재되었다.
이 연구는 서울대 물리천문학부 이탁희 교수와 재료공학부 강기훈 교수를 중심으로, 조경준 박사(한국과학기술연구원)가 공동지도하였으며 한국연구재단의 개인연구사업(중견연구, 리더연구, 우수신진연구, 세종과학펠로우십)의 지원으로 수행되었다.
24개월마다 반도체 집적회로의 성능이 2배로 증가한다는 무어의 법칙에 따라 반도체 업계는 실리콘 칩 안에 더 많은 칩을 넣기위한 연구를 지속해왔지만, 실리콘 기반 반도체는 두께가 나노단위로 줄어들수록 물질 자체의 불완전함으로 인해 곧 물리적 한계에 마주할 것으로 많은 연구자들이 예상하고 있다. 이러한 배경 가운데, 원자 한 층 수준에서도 안정적인 이차원 물질 그 중에서도 이황화몰리브덴*이 주목받고 있다.
※ 이황화몰리브덴 (MoS2): 몰리브덴(Mo)과 황(S)의 무기화합물로써 한 층의 두께가 약 0.65 nm 이며 밴드갭을 가진 화합물 반도체
이황화몰리브덴은 원자 한층 수준에서도 전계효과 트랜지스터 및 광전자 소자로 뛰어난 성능을 보이며, 또한 수많은 이차원 물질과 이종접합구조 (heterostructure)의 형태로 새로운 특성을 가진 구조를 제작할 수 있으므로 무궁무진한 가능성을 가지는 차세대 반도체 소재로 평가받는다.
이황화몰리브덴을 차세대 반도체 소재로 상용화되기 위해서는 도핑을 통한 소자 성능 제어가 필수적이지만 실리콘 반도체와 비교하여 성능과 원리 측면에서 연구가 더 필요한 분야이므로 이를 해결하기 위해 전세계적으로 연구가 진행되고 있다.
이차원 반도체 물질 도핑 방법으로 치환 도핑, 정전기 도핑 그리고 전하이동 도핑이 있으며, 그 중에서 전하이동 도핑은 전하를 띈 불순물이 필수 불가결하게 유입되어 그로 인해 발생하는 전하 산란으로 인해 이차원 반도체의 전자 이동도가 낮아진다는 단점이 있다.
본 연구팀은 기존의 표면 전하이동 도핑을 한층 더 발전시킨 육각 질화 붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)와 이황화몰리브덴 이종접합구조에서 전자 이동도를 극대화시킬 수 있는 새로운 원격 전하이동 도핑(remote doping) 방법을 제시하였다.
특히, 원격 전하이동 도핑과 기존 도핑방법으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터의 성능을 극저온에서 비교 분석한 결과 원격 전하이동 도핑 소자에서 전하 산란이 효과적으로 줄어든다는 것을 확인하였으며 이로 인해 매우 높은 전하 이동도를 보였다.
또한, 원격 전하이동 도핑은 다른 치환 도핑방법과 달리 비침투적이며, 산화-환원반응에 기반하여 필요에 따라 도핑 물질을 선택할 수 있는 높은 자유도를 가졌으므로 이차원 반도체 연구분야에서 활용될 수 있는 발전 가능성을 가지고 있다.
이 논문의 제1저자인 장준태 연구원은 현재 서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정 대학원생이며 이탁희 교수 연구실에서 연구를 수행하고 있다.
장준태 학생은“전세계적으로 주목받는 차세대 이차원 반도체 물질에 대해 물리학적 관점에서 연구함으로써 기존의 지식을 넘어선 새로운 지식을 넓혀가는 일에 제가 아주 미세하게나마 기여하는 경험이 뜻깊었다”고 소감을 밝혔으며 “교수님과 선배님들의 도움으로 예상보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있었고 그 결과, 첫 논문으로 세계적인 저널에 연구결과를 보고할 수 있는 영광을 얻게 된 것에 큰 감사를 느낀다.”고 덧붙였다.
이번 연구를 공동지도한 강기훈 교수는 본 연구성과에 대해“박사과정 때부터 신반도체 물질의 도핑 방법을 연구해오면서,‘이차원 반도체 물질에도 적용할 수 있는 효과적인 도핑 방법이 없을까?’하는 발상에서 시작하였다”며“초기 발상이 이렇게 우수한 결과로 이루어지기까지 최선을 다하여 참여해주신 연구진들께 감사드린다”고 소감을 밝혔다.
이번 연구를 공동지도한 조경준 박사는 본 연구성과에 대해“이번 연구를 통해 다양한 분야에서 주목받고 있는 차세대 이차원 반도체의 성능을 극대화 할 수 있는 효율적인 방법을 제시하였다”며, “특히, 함께 고생하며 의미 있고 재밌는 연구를 진행하여 성과를 낼 수 있게 노력한 여러 연구진들과 도움 주신 모든 분들께 감사드린다”고 소감을 밝혔다.
이탁희 교수는“도핑은 반도체 소자의 특성을 제어할 수 있는 가장 핵심적인 개념 중 하나”라며“본 연구결과는 반 데르 발스 힘에 의해 자연스럽게 접합구조가 가능한 이차원 물질의 특성을 적극 활용한 가장 효과적인 도핑 방법 중 하나를 선보이고 있다”고 연구의의를 밝혔다.