사진=김태성교수

성균관대학교(총장 신동렬)는 기계공학부 김태성 교수, 석지원 교수, 한국기계연구원 김형우 박사 공동연구팀(1저자 석현호, Yonas T. Megra, Chaitanya Kanade)이 ‘4인치 웨이퍼 크기의 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐(MoS2-WS2) 수직이종구조 단일공정 제조’ 원천기술을 최초로 개발했다고 밝혔다.

사진=[그림]2차원 전이금속 수직이종구조(Mos2-ws2)모식도 및 시간대별 형성과정

대표적인 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides)인 이황화몰리브데넘(MoS2), 이황화텅스텐(WS2)은 각기 다른 밴드갭을 갖는 물질로 차세대 전자소자 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 이황화몰리브데넘과 이황화텅스텐이 층상으로 쌓인 수직이종구조로 이뤄지면 밴드갭 조절이 가능해 더욱 다양한 응용이 가능하지만, 현재까지는 대면적으로 균일한 이종구조 제조가 어려웠다.

이에 연구팀은 화학기상증착법(CVD) 대비 상대적으로 낮은 온도인 300도에서 균일한 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 이종구조를 4인치 웨이퍼 위에 제작할 수 있는 단일공정 기술을 개발했다. 저온 플라즈마를 활용하여 이종 금속층(몰리브데넘-텅스텐)을 황화시키는, 간단하면서도 효과적으로 이종구조 물질을 제조하는 방법을 개발하여 관련 기술을 국내 특허로 출원했다.

나아가 연구팀은 대면적 이종구조와 웨이퍼 사이의 계면 접착 특성을 파괴역학 개념의 실험을 통해 분석함으로써, 이황화몰리브데넘-이황화텅스텐 수직이종구조의 구조 안정성을 검증했다.

김태성 교수는 “전이금속 간 이종구조를 대면적으로 구현한 경우는 세계 최초로, 플라즈마 합성방법으로 구현한 것은 저온공정 및 높은 재현성, 균일도를 가지는 장점을 가지고 있다”며 “이번 기술을 통해 이종구조 연구에 진전 및 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단의 중견연구(NRF-2017R1A2B3011222, NRF-2019R1A2C2089785)와 기본연구(NRF-2018R1D1A1B07040292), 한국기계연구원의 지원으로 수행되었으며, Web of Science의 Materials Science, Multidisciplinary 분야 국제학술지인 ‘ACS Nano' (IF: 14.588, JCR 상위 10%이내)에 1.7(목) 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Low-Temperature Synthesis of Wafer-Scale MoS2-WS2 Vertical Heterostructures by Single-Step Penetrative Plasma Sulfurization

송호현 기자  enfl2310@hanmail.net

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