국내 연구진이 실리콘보다 에너지 소비는 적으면서도 성능은 좋은 차세대 반도체 소재인 몰리브덴 이황화물(MoS₂)의 합성 공정을 개발했다. 초거대 인공지능(AI) 모델로 컴퓨터의 연산 능력의 중요성이 커지는 상황에서 이번 연구로 차세대 반도체 개발이 앞당겨질 수 있을 것으로 기대된다.
임현섭 광주과학기술원(GIST) 화학과 교수가 이끄는 연구진이 1㎚(나노미터)보다 얇은 2차원(2D) 몰리브덴 이황화물 합성법을 개발해 결정 입자 사이의 경계를 줄이고, 생산 효율을 높였다고 13일 밝혔다.
몰리브덴 이황화물은 실리콘보다 에너지 소비가 수십만 배 적으면서, 전기전도도는 높고 빛과 쉽게 상호작용해 차세대 반도체 소재로 주목받아왔다. 그러나 합성 효율이 낮고 결정 사이에 공간 때문에 전자의 이동 속도가 느려지는 단점으로 상용화까지는 시간이 오래 걸릴 것으로 예상돼 왔다.
GIST 연구진은 2D 몰리브덴 이황화물의 합성 효율을 높이기 위해 무기 분자인 몰리브덴 테트라클로라이드(MoOCl₄)를 합성에 필요한 전구체로 사용했다. 몰리브덴 테트라클로라이드는 증기압으로 제어할 수 있어 몰리브덴 이황화물의 생산 효율을 높일 수 있다.
또 알루미늄과 산소를 포함한 사파이어 기판을 활용하면 몰리브덴 이황화물이 더 빠르게 성장할 수 있다는 것도 확인했다. 사파이어 기판은 공기 중 온도에 따라서 하이드록시기 또는 알루미늄기를 말단 작용기로 가질 수 있는데, 이 중 알루미륨 작용기가 2D 몰리브덴 이황화물 성장을 촉진하는 것으로 나타났다.
GIST 연구진이 개발한 공정으로 만든 몰리브덴 이황화물은 두께도 1㎚ 이하로, 결정 입자 사이 경계면에서 전자의 이동 속도가 느려지는 단점을 해결할 수 있을 전망이다.
임 교수는 "이번 연구를 통해 2D 반도체 나노물질인 몰리브덴 이황화물을 차세대 반도체 소재로 활용하는 시점이 앞당겨질 것으로 기대한다"며 "새롭게 밝혀낸 메커니즘은 다른 2D 나노물질의 대면적 단결정 합성 공정 개발에도 기여할 것"이라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '미국화학회(ACS) 나노'에 지난달 12일 소개됐다.
참고자료
ACS Nano, DOI : https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08983