이황화몰리브덴의 성장 및 소자 제작기술 개발
이황화몰리브덴은 몰리브데늄과 황이 결합하여 이루어진 물질로서 층상구조를 가지기 때문에 박막형태로 얻기 쉬우며 단일막의 두께가 100억분의 6.5 미터로 초박막이며, 반도체 특성을 가지고 있어 초박막 반도체 물질로 많은 연구가 이루어지고 있다.
서울대 물리천문학부 이탁희 교수가 주도하고, 서울대 물리천문학부 박완서 박사과정 연구원, 포항가속기연구소 백재윤 박사, 포항공대 신현준 교수 등이 참여했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)과 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행되었고, 나노분야 국제학술지 ACS Nano지 4월 14일자 온라인판에 게재되었다. (논문명 : Photoelectron Spectroscopic Imaging and Device Applications of Large-Area Patternable Single-Layer MoS2 Synthesized by Chemical Vapor Deposition)
이황화몰리브덴은 그래핀처럼 아주 얇은 층 구조여서 박막 제작에 유리한데다 그래핀에 없는 반도체 특성도 지녀 주목받고 있다.
덩어리에서 조각을 얻는 방식의 한계를 극복한 화학기상증착법으로 이황화몰리브덴을 얻어내고 있지만 한 발 더 나아가 선택적으로 원하는 곳에만 이황화몰리브덴을 분포시키는 제작 기술은 아직 미미한 실정이었다.
화학기상증착법(Chemical vapor deposition, CVD)은 원하는 물질을 포함하고 있는 기체나 고체 상태의 원료를 반응튜브 안에 모아 고온의 열로부터 에너지를 받아서 분해 및 재결합을 하게 되며 이를 통해 얻게 된 물질을 원하는 기판에 증착하는 기술을 말한다.
연구팀은 박막 두께가 0.65 나노미터인 이황화몰리브덴을 화학기상증착법으로 기판 위에 수 센티미터 크기의 면적으로 넓게 성장시키고 전자소자화를 위한 제작 기술에 성공했다.
평면에 넓게 성장된 물질을 깎아내는 후처리 과정을 생략, 높은 순도의 이황화몰리브덴을 얻을 수 있고 고유한 반도체 특성을 잘 유지할 수 있다는 것이 장점이다.
핵심은 섀도우마스크를 이용한 선택적인 증착으로 직접 제작하여 원하는 곳에, 원하는 모양으로 이황화몰리브덴을 분포시킬 수 있도록 한 것이다. 섀도우 마스크는 원하는 모양대로 구멍을 뚫은 판으로 기판에 올려 전면에 증착하는 과정만으로 원하는 곳에 해당물질을 분포시키는 패터닝의 기본적이고 간단한 툴이다.
이처럼 원하는 모양으로 제작할 수 있게 되면 한 번에 다량의 전자소자를 손쉽게 제작할 수 있다.
한편 이황화몰리브덴의 화학적 조성 분석을 통한 높은 순도 확인은포항가속기연구소와 공동연구를 통해 이뤄졌다.
이 교수는 “이황화몰리브덴을 대면적이면서 균일한 단일 원자층으로 성장하고 손쉽게 전자소자로 제작한 연구결과로, 향후 매우 얇은 반도체 소재의 활용을 위한 가능성을 높였다”고 밝혔다.
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신윤오 기자
(yoshin@techworld.co.kr)