광주과학기술원(GIST)은 화학과 임현섭 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재가 제대로 합성됐는지를 시료를 전혀 손상시키지 않고도 정확히 판별할 수 있는 비파괴 분석 기술을 개발했다고 밝혔다.
현재 반도체 산업의 주력 소재인 실리콘(Si)은 소자 미세화가 진행될수록 성능과 효율을 유지하기 어려워지고, 전력 소모 증가 등 물리적 한계에 직면해 있다. 이에 따라 원자 한 층 두께에서도 우수한 전기적·광학적 특성을 구현할 수 있는 이차원 반도체 소재가 포스트 실리콘(Post-Silicon) 시대의 핵심 대안으로 주목받고 있다.
이 가운데 이황화몰리브덴(MoS₂)은 종이 한 장보다 훨씬 얇은 원자 한 층 두께의 초박막 구조를 지닌 대표적인 이차원 반도체 물질이다. 그러나 이를 실제 반도체 칩으로 활용하기 위해서는 대면적으로 합성하더라도 모든 원자가 한 방향으로 정렬된 완벽한 단결정 상태를 유지하는 것이 중요하다.
문제는 합성된 시료가 겉보기에는 단결정처럼 보여도, 실제로는 원자 배열이 180도 뒤집힌 결정 영역이 섞여 있는 경우가 빈번하다는 점이다. 이러한 결정들이 공존하면 경계면에서 전자의 흐름이 방해받아 반도체 성능이 급격히 저하되고 소자의 신뢰성도 떨어진다. 따라서 차세대 이차원 반도체 상용화를 위해서는 단결정 여부를 정확하게 검증할 수 있는 평가 기술이 필수적이다.
기존 분석 기법은 시료를 절단하거나 손상시키는 방식이 대부분이어서, 웨이퍼 공정과 같이 손상 없는 평가가 요구되는 산업 환경에 적용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 저에너지 전자회절(LEED, Low-Energy Electron Diffraction) 기법에 주목했다. 전자빔의 에너지를 단계적으로 변화시키며, 전자들이 원자 배열에 부딪혀 생성하는 회절 패턴의 강도 변화를 정밀 분석한 결과, 시료를 전혀 파괴하지 않고도 모든 결정이 한 방향으로 정렬된 단결정과 방향이 뒤섞인 결정이 포함된 시료를 명확히 구분하는 데 성공했다.
특히 이번 연구는 단층 이차원 반도체의 구조적 특성과 전자의 다중 산란 효과를 함께 고려해, 결정 정렬도를 정량적으로 판단할 수 있는 새로운 전자회절 해석 기준을 제시했다. 이를 통해 단순 이미지 관찰을 넘어 신뢰도 높은 단결정 판별 방법을 확립했다.
이번 성과는 분석 기법 제시에 그치지 않고 산업 현장 적용 가능성까지 제시했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀의 분석법은 웨이퍼 전체의 단결정 품질을 한눈에 확인할 수 있어, 차세대 이차원 반도체 대량 생산 과정에서 수율을 높이는 핵심 기술로 활용될 수 있다. 또한 이황화몰리브덴뿐 아니라 다양한 이차원 반도체와 반데르발스 이종접합 구조에도 적용 가능해, 차세대 반도체 공정 전반의 품질 관리 기술로 확장될 가능성이 크다.
임현섭 교수는 “차세대 반도체 소재가 산업 현장에 적용되기 위해서는 대면적 합성 기술과 이를 검증할 수 있는 평가 기술이 함께 갖춰져야 한다”며 “이번 비파괴 분석법은 이차원 반도체 연구를 산업 현장의 웨이퍼 공정으로 연결하는 중요한 가교가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 GIST 화학과 임현섭 교수 지도 아래 김도훈 석·박사통합과정생이 수행했으며, 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업과 과학기술정보통신부 이노코어(InnoCORE) 사업의 지원을 받아 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters)에 2026년 1월 8일 온라인으로 게재됐다. 한편 GIST는 이번 연구 성과와 관련한 기술이전 협의가 기술사업화센터를 통해 가능하다고 밝혔다.
헬로티 이창현 기자 |
