韓 연구진 '원자 두께 3차원 반도체' 세계 첫 개발

우리나라 연구진이 거북선 지붕처럼 오돌토한 가시가 돋친 새로운 구조의 반도체 소자를 세계 최초로 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 조문호 부연구단장 연구팀은 원자 두께 반도체 표면에 돌기가 돋은 형태의 신소재를 세계 최초로 개발했다고 28일 밝혔다.

증착 장비와 공동 제1저자인 진강태 IBS 연구원 /사진=IBS

최근 차세대 초소형, 저전력 전자기술로 주목받고 있는 2차원 반도체는 두께가 거의 없고 투명한데다 전기전도도가 높다. 하지만, 지금까지 2차원 반도체의 균일한 대(大)면적 합성은 평면 형태로만 가능했다. 극도로 얇은 두께때문에 접거나 구부리면 굴곡 부분이 찢어지거나 구겨져 불완전했던 것이다.

연구진은 2차원 반도체를 실리콘 기판에서 분리했을 때 나타나는 유연한 막, 즉 멤브레인 반도체(membrane)를 주목하고 이를 입체 구조로 만들기 위한 연구를 진행했다.

우선 10 nm (나노미터․1nm는 10억 분의 1m) 크기의 바늘모양 돌기들이 규칙적으로 정렬된 지름 4인치 크기 기판을 제작했다. 그 위에 유기금속화학증착법을 이용해 24시간가량 천천히 이황화몰리브덴(MoS2)을 증착시켰다.

그 결과 몰리브덴(Mo) 원자 1개와 황(S) 원자 2개가 정확히 층을 이루어 균일한 두께로, 기판 위에 대면적 멤브레인 반도체를 만드는 데 성공했다.

2차원 반도체의 X-Y축 평면에 Z축 성분인 돌기를 더해 3차원이 된 것인데, 이는 세계 최초의 3차원 원자층 반도체다.

입체 멤브레인 반도체의 등각 증착 및 분리 과정 모식도 /사진=IBS

조문호 부연구단장은 "3차원 멤브레인 반도체는 웨어러블 디바이스나 웨어러블 소형 컴퓨터 등에 응용할 수 있다"고 설명했다.

특히 이번에 개발된 반도체는 접착 메모지처럼 간단히 떼었다 붙였다가 가능한 특징을 갖고 있다. 보통 증착 방식으로 만든 반도체는 실리콘 기판과 강한 결합을 이루고 있기 때문에 산성약품을 이용해 떼어내는 것이 일반적이다.

하지만, 연구진이 사용한 이황화몰리브덴(MoS2)은 기판과 약하게 결합하기 때문에 간단히 물에 담가 기판에서 떼어낼 수 있다. 떼어낸 멤브레인 반도체는 새로운 기판이나 플라스틱, 인체 피부 등 다양한 표면에 붙이는게 가능하다.

연구진은 3차원 반도체 기술을 응용해 양자컴퓨터 기술로 발전시킬 가능성도 탐색하고 있다.

반도체에 굴곡을 가하면 단일 광자가 나오는 것으로 알려져 있는데, 단일 광자는 양자컴퓨터의 정보 저장 단위인 큐빗(qubit)의 후보 중 하나다. 광자의 성질에 따라 양자 정보를 담을 수 있기 때문이다.

조문호 부연구단장은 "구조적으로 변형이 일어난 반도체에서 단일 광자가 나온다는 보고가 있었지만, 어디서 어떻게 나오는지에 대해서는 알려진 바 없다"며 "개발한 멤브레인 반도체는 광자가 나오는 지점을 조절하는 연구에 쓰일 수 있어 향후 양자컴퓨팅 소자 기술로도 연결될 수 있다"고 말했다.

이번 연구성과는 세계적인 학술지인 사이언스 어드밴시스에 7월 27일에 온라인 게재됐다.