DGIST 조창희 교수팀, 2차원 반도체 결함 제어 메커니즘 규명

DGIST(총장 이건우) 화학물리학과 조창희 교수팀이 ‘2차원 반도체’가 다양한 외부 환경 변화에도 안정적으로 결함 상태를 제어할 수 있는 새로운 방법을 규명했다.

연구팀이 실험을 통해 ‘2차원 육방정 질화붕소’를 이용해 ‘전이금속 칼코겐화합물’로 구성된 2차원 반도체에서 발생한 결함을 산소 분자의 화학적 흡착으로 정상화하는 메커니즘을 발견해 향후 우수한 성질을 가진 차세대 반도체 소재 활용이 높아질 것으로 기대된다.

전이금속 칼코겐화합물은 기존에 활용되는 반도체 소재보다 광학, 전기, 물리적 성질이 우수해 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다. 

하지만 원자층 수준의 얇은 두께를 가지고 있어서 물질의 성질(이하 ‘물성’)이 주변 환경에 따라 민감하게 달라져 2차원 반도체가 갖는 고유한 물성을 관찰하기 어려워 반도체 소재 활용에 어려움이 있었다.

이를 해결하는 방안으로 육방정 질화붕소를 이용한 ‘질화붕소-반도체-질화붕소’ 이종접합 구조가 제시됐다. 이종접합 구조를 통해 주변 환경으로부터 2차원 반도체를 보호하고, 소재 및 소자의 성능을 향상시킬 수 있음이 증명됐지만, 질화붕소가 2차원 반도체에 어떠한 영향을 주는지에 대한 정확한 메커니즘이 규명되지 않았다.

이에 조창희 교수팀은 단일 2차원 반도체의 광학적 물성이 진공과 대기 환경에서 큰 차이를 보이는 것에 주목했고 이를 토대로 반도체 표면에 탈착 및 흡착되는 기체분자에 의해 2차원 반도체 물성이 변화하는 것으로 가정하고, ‘전자 에너지 손실 분광 기법(EELS: Electron Energy Loss Spectroscopy)’, 이론적 모델 계산 등을 활용해 이를 분석했다. 

그 결과 2차원 반도체의 결함에 산소 분자가 화학적으로 흡착되어 결함 상태를 제거함을 발견했다. 또 이러한 과정에서 질화붕소가 산소 분자의 탈착을 막아 결함 상태를 안정적으로 제어함을 확인했고, 이러한 현상이 다양한 외부 환경 변화로부터 2차원 반도체의 엑시톤 상태 및 밸리 분극을 안정화할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

조창희 교수는 “차세대 반도체 소재로 광학, 전기, 물리적 성질이 우수한 전이금속 칼코겐화합물을 2차원 반도체로 활용할 수 있는 결함 제어 메커니즘을 발견하게 되어 매우 기쁘다”며 “이번 연구성과는 2차원 반도체의 물성에 대한 이해도를 학문적으로 진전시킨 매우 주요한 성과로, 향후 2차원 반도체 결함 제어를 위한 새로운 방향성을 제시할 것으로 기대한다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 및 우수연구자교류지원사업, DGIST R&D 프로그램의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 논문(제1 저자: DGIST 화학물리학과 정진우 박사)은 국제학술지인 ‘Advanced Science’에 온라인 게재됐다.