Special 차세대 AI 산업 핵심 반도체 세라믹 기술 동향(1)

2차원 TMD 반도체 성장 및 응용

송종민_서울시립대학교 학생연구원

김태완_서울시립대학교 첨단융합학부 부교수

서론

인공지능(AI) 기술의 발전은 산업 전반에 혁신적인 변화를 가져오고 있으며 자율주행 자동차, 스마트 시티, 지능형 로봇 등 AI 기술을 기반으로 한 새로운 애플리케이션의 등장은 기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 요구사항을 제시하고 있다. 특히 고성능 컴퓨팅, 저전력 소모, 고속 데이터 처리와 같은 기능은 중요한 요소로 작용하고 있고 기술적 요구를 충족시키기 위해 전 세계의 연구자들은 기존 실리콘 기반 반도체의 한계를 극복할 수 있는 새로운 소재 및 소자 기술 개발에 주력하고 있다. 이 중에서도 2차원 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 반도체는 차세대 전자소자 발전을 이끌 핵심 소재로 주목받고 있다. TMD는 MoS₂ WS₂, MoSe₂ 등 전이금속과 칼코겐 원소로 이루어진 화합물로 기존 반도체 소재와 비교하여 우수한 전기적 성능과 광학적 특성을 제공할 뿐만 아니라 원자 단위의 얇은 층으로 구성되어 있어 뛰어난 유연성과 함께 높은 전하 이동도를 가지고 있다. TMD 반도체 기술의 연구와 개발은 세계적인 반도체 시장에 큰 변화를 가져올 것으로 예상되며 특히 고성능, 고효율, 저전력 소모의 기술적 요구사항을 충족시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이에 본 특집에서는 TMD 반도체의 기본적인 특성과 소재 합성 및 응용 대해 다루고자 한다. 

그림 1. TMD을 기반으로 한 전자, 광전자 및 에너지 장치 [22]

1.     2D TMD 반도체 소재 특성

[그림2]를 보면 2차원 전이 금속 디칼코게나이드(TMD) 반도체는 화학식 MX₂로 표현되며, 여기서 M은 전이 금속 원소(예: 몰리브데넘, 텅스텐)이고 X는 칼코겐 원소(예: 황, 셀레늄, 텔루륨)이다. 이 화합물들은 일반적으로 층상 구조를 가지며, 각 층은 전이 금속 원자층이 두 개의 칼코겐 원자층 사이에 끼어 있는 형태로 배열된다. 층간 결합은 주로 반데르발스 힘에 의해 이루어지기 때문에, 각 층은 다른 층과 쉽게 분리될 수 있다. 대표적인 예로 MoS₂는 각 층이 강한 공유결합을 유지하며 층 간에는 약한 반데르발스 결합을 하는 층상 구조를 가지고 있으며, 이러한 구조 덕분에 TMD 반도체는 원자 단위의 얇은 두께를 가질 수 있다. 광학적인 특성으로 단층 TMD 반도체는 일반적으로 직접 전이 밴드갭을 가지며, 이는 고효율 광흡수 및 발광 특성을 보여준다. 예를 들어 [그림3]에서 단층 MoS₂는 약 1.9 eV의 직접 전이 밴드갭을 가지며, 벌크 MoS₂의 경우 약 1.2 eV의 간접 전이 밴드갭을 가진다.[2] 이러한 밴드갭 특성 덕분에 단층 TMD 반도체는 빛을 흡수하거나 발광하는 데 매우 효율적이라 할 수 있다. 

  그림 2. TMD 구성물질 [1]

그림 3. MoS2 결정구조 [2,3,4]

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