한양대, 2차원 반도체 ‘주름 결함’ 잡는 기술 개발

[이데일리 김응열 기자] 한양대 연구진이 차세대 반도체 소재로 주목받는 2차원 반도체의 ‘주름 결함’을 선택적으로 보정해 전하가 더 균일하게 이동하도록 하는 기술을 개발했다.

(윗줄 왼쪽부터)박대영 전주대 교수(제1저자), 김태훈 한양대 박사과정생(공동 제1저자), 김보라 대구경북과학기술원 박사(공동 제1저자), (아랫줄 왼쪽부터)정문석 한양대 교수(교신저자), 성주영 대구경북과학기술원 교수(교신저자), 김동욱 이화여대 교수(교신저자). (사진=한양대)

한양대는 정문석 물리학과 교수 연구팀이 단층 2차원 반도체인 ‘텅스텐 디셀레나이드(1L-WSe2)’의 주름(wrinkle) 결함을 선택적으로 보정해 전하 수송 성능을 향상시키는 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 연구는 성주영 대구경북과학기술원(DGIST) 화학물리학과 교수 연구팀, 김동욱 이화여대 물리학과 교수 연구팀 등과 공동으로 이뤄졌다.

2차원 반도체는 원자 한 층 수준의 얇은 두께와 우수한 전기적·광학적 특성으로 차세대 반도체와 광전자 소자 구현을 위한 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 소재가 나노미터(nm) 단위로 얇아 성장·전사 과정에서 주름과 같은 구조적 결함이 쉽게 형성된다는 문제가 있었다. 이러한 주름은 국소적인 에너지 불균일성과 전하 포획을 유발해 소자 성능을 저하시키며 특히 WSe2 같은 전이금속 칼코게나이드 반도체에서는 주름 부위에 결함이 집중돼 전하 수송이 균일하게 이뤄지지 않았다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 트라이옥틸포스핀 셀레나이드(TOPSe)를 이용한 ‘주름 선택적 결함 보정 전략’을 새롭게 제시했다. TOPSe는 분자 구조가 커 평탄한 영역에는 쉽게 결합하지 않는 반면 주름 부위에 존재하는 셀레늄 공공결함과는 선택적으로 반응하는 독특한 특성을 가진다. 연구팀은 이 특성을 활용해 WSe₂ 주름 영역의 결함을 보정하고 주름 주변에서 발생하던 전하 불균일성을 완화했다.

실제 연구팀은 라만 및 광발광(PL) 분광 분석을 통해 TOPSe 처리 이후 주름 부위의 결함 관련 신호가 크게 감소하고 광학적 특성이 개선된 것을 확인했다.

정문석 교수는 “이번 연구가 향후 원자층 수준의 구조적·전자적 불균일성을 제어하는 분자공학 기술로 확장돼 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.