최근 반도체 산업은 미세 공정의 극한적인 한계에 도달한 상태입니다. 결국 이렇게 공정이 미세화 된다면 궁극적으로는 분자나 원자 몇개 수준까지 미세화 될 수 밖에 없는데 워싱턴 대학의 연구자들이 두가지 분자로 구성된 단층 반도체 접합 (monolayer semiconductor junctions) 을 구현하는데 성공했다는 소식입니다. 아직 집적 회로를 만들 수 있는 수준은 아니지만 단 한층의 원자 만큼 얇은 반도체라는 사실이 흥미롭습니다.
(현미경으로 본 삼각형 형태의 반도체 이종 접합 As seen under an optical microscope, the heterostructures have a triangular shape. The two different monolayer semiconductors can be recognized through their different colors. Credit: U of Washington)
(주사 전자 현미경 사진으로 본 모습, 2nm 막대와 벌집모양 격자구조의 크기를 비교. A high-resolution scanning transmission electron microscopy (STEM) image shows the lattice structure of the heterojunctions in atomic precision. Credit: University of Warwick)
워싱턴 대학의 시아동 수 교수 (Xiaodong Xu, a UW assistant professor of materials science and engineering and of physics) 및 그의 동료들은 이종 접합 (Heterojunction) 이라고 알려진 서로 다른 반도체 물질의 단층 결합을 구현했는데 사실상 원자 하나의 두께와 비슷한 수준의 얇은 반도체 물질이라고 합니다. 이 두가지 물질은 MoSe2 (molybdenum(IV) selenide) 와 WSe2 (tungsten(IV) selenide) 로 이 두가지 물질은 매우 비슷한 구조를 가지고 있다고 합니다. 따라서 2 차원적인 반도체를 만드는데 적합하다고 하네요.
영국의 워윅 대학 (University of Warwick) 의 전자 현미경 센터 (electron microscopy center ) 연구팀과의 협력을 통해 연구팀은 이 모든 분자를 구성하는 원자들이 사실상 단층의 벌집모양 격자 구조 (single honeycomb lattice structure) 를 형성했다는 것을 확인했습니다. (두번째 사진) 이 물질들은 섭씨 900 도 까지 가열된 두가지 물질의 파우더를 이용해 가공되어 이렇게 독특한 구조물을 형성한다고 하네요.
또 한가지 흥미로운 점은 이 물질이 첫번째 사진에서 보듯이 독특한 광발광 (photoluminescence : 물질이 빛에너지를 흡수하여 열을 발생하지 않고 발광하는 현상) 현상을 일으키는데 이것 역시 다양한 분야에 응용이 가능할 지 모른다고 생각됩니다. 연구팀은 이 기술이 미래에 플렉서블하고 투명한 컴퓨터, 차세대 LED 나 기타 다른 디바이스에 응용될 수 있다고 보고 있으며, 더 나아가 이 기술을 응용한 집적 회로도 가능할 지 모른다고 생각하고 있습니다.
실제로 신기술이 상용화 될 수 있을지는 시장에 나온 순간에서야 알 수 있습니다. 많은 신기술이 개발 과정에서 포기되고 시장에 나온 후에도 숱하게 실패합니다. 하지만 어쨌거나 이제 반도체가 원자 한층 만큼 작아질 수 밖에 없는 미래가 가까워졌다고 생각하면 재미있는 연구라고 생각되어 소개해 봤습니다. 과연 미세 공정은 어디까지 작아질 수 있을까요 ?
이 연구는 Nature Material 에 실렸습니다.
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