광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 임현섭 화학과 교수팀이 차세대 반도체 소재가 제대로 합성됐는지를, 시료를 전혀 손상시키지 않고도 정확히 판별할 수 있는 비파괴 분석 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
현재 반도체 산업의 주력 소재인 실리콘(Si)은 칩을 더 작게 만들수록 성능과 효율을 유지하기 어려워지는 한계가 있고, 전력 소모 증가 등으로 성능 향상에 물리적 제약에 직면해 있다. 원자 한 층 두께에서도 우수한 전기적·광학적 특성을 구현할 수 있는 이차원 반도체 소재가 '포스트 실리콘' 시대의 핵심 대안으로 주목받고 있다.
이황화몰리브덴(MoS₂)은 실리콘처럼 두꺼운 두께를 가진 기존의 입체적인(3차원) 반도체와 달리 종이 한 장보다 훨씬 얇은 원자 한 층 두께의 초박막 구조를 지닌 대표적인 이차원 반도체 물질이다. 하지만 이를 실제 반도체 칩으로 활용하기 위해서는 대면적으로 합성하더라도 모든 원자가 한 방향으로 정렬된 완벽한 단결정 상태를 유지하는 것이 무엇보다 중요하다.
문제는 합성된 시료가 겉보기에는 원자들이 질서정연하게 정렬된 완벽한 결정, 즉 단결정처럼 보여도 실제로는 원자 배열이 180도 뒤집힌 가짜 결정이 섞여 있는 경우가 빈번하다는 점이다.
기존 분석 기법은 시료를 절단하거나 손상시키는 방식이 대부분이어서 손상 없이 반도체 칩을 만들기 위해 얇은 원판 형태의 재료를 가공하는 '웨이퍼 공정'에 적용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 '저에너지 전자회절(LEED)' 기법에 주목했다. 전자빔의 에너지를 단계적으로 변화시키며 전자들이 원자 배열에 부딪혀 만들어내는 회절 패턴의 강도 변화(회절 신호의 세기 변화)를 정밀 분석한 결과, 시료를 전혀 파괴하지 않고도 모든 결정이 한 방향으로 정렬된 진짜 단결정과 방향이 뒤섞인 결정이 포함된 시료를 명확히 구분하는 데 성공했다.
이번 연구는 단층 이차원 반도체의 구조적 특성과 전자의 다중 산란 효과를 함께 고려해 결정이 얼마나 잘 정렬돼 있는지를 정량적으로 판단할 수 있는 방법(새로운 전자회절 해석 기준)을 제시함으로써 단순한 이미지 관찰을 넘어 신뢰도 높은 단결정 판별 방법을 확립했다는 점에서 의미가 크다.
새로운 분석 기법 제시에 그치지 않고, 산업 현장 적용 가능성을 함께 제시했다는 점에서도 주목된다.
임현섭 교수는 “실리콘을 넘어설 차세대 반도체 소재가 실제 산업 현장에 적용되기 위해서는 대면적 합성 기술과 이를 검증할 수 있는 확실한 평가 기술이 반드시 함께 갖춰져야 한다”며 “이번에 개발한 비파괴 분석법은 실험실 수준에 머물던 2차원 반도체 연구를 산업 현장의 웨이퍼 공정으로 연결하는 중요한 가교 역할을 할 것”이라고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
