국가연구개발성과

연구보고서
2차원 반도체 반데르발스 소재의 3차원적 적층 엔지니어링 기술 개발 (3D Stack Engineering of 2D semiconductor van der Waals Layers)

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등록번호 TRKO202500025255 발행년월 2025-03
발행기관명 인하대학교 발행국가/사용언어 대한민국 /국문
발주기관 한국연구재단 과제관리(전문)기관 한국연구재단
키워드 2차원 소재;화학증기증착;박막 나노구조;적층성장;밴드갭 제어;
2D Materials;Chemical vapor deposition;thin film nanostructure;Epitaxial growth;Bandgap engineering;
초록
□ 연구개요
본 연구는 촉매기반 결정성장방식을 2차원 반도체 반데르발스 소재 성장 메커니즘에 적용하여 구조가 적층되는 방향을 3차원적으로 확장할 수 있음을 보이고, 이에 기반하여 기존에 없던 새로운 형태의 3차원 반데르발스 구조의 적층 엔지니어링을 실현하는 것을 목표로 하였다. 일반적으로, 2차원결정구조를 갖는 반도체 반데르발스 소재는 소재의 조합 및 결정상의 구조에 따라 전기/광학적 물성이 변화하게 되고, 특히 서로 다른 2차원 소재들을 적층시켜 이종구조(heterostructure)를 제조할 경우, 계면의 형태에 따라 물성의 제어가 가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 기존의 적층 방식은 기계적 박리에 따른 적층이나 화학증기증착법을 통해 다중층을 성장시키는 방식으로 진행되어오고 있으며, 이는 구조를 제조하는데 많은 제한을 야기한다. 따라서 이를 해결하기 위해 본 과제에서는 기체·액체·고체(VLS) 성장 방식을 활용하여 2차원 소재의 이등방성에 기반한 적층성장방향의 동역학적 제어를 유도하고 그에 따른 3차원적 구조합성을 통해 해당 소재의 광학/전기적 물성을 제어하고 그에 기반한 광전자물성을 제어하는 기반 기술을 확립하고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구에서는 층상결정구조를 가지는 2차원 및 박막 반도체 소재들에 대하여, 일반적인 화학증기증착법(CVD)을 통한 결정성장법과 함께 촉매기반성장법을 활용하여 구조성장을 기존의 2차원적 방법에서 3차원적 방법으로 확장시키는 방법론을 확립하였다. 본 과제의 접근법인 촉매기반성장법의 핵심은 프리커서의 용해 및 석출을 촉매를 이용하여 동역학적으로 제어함에 있다. 이에 본 연구에서는 프리커서의 기판 표면상 확산(diffusion) 현상을 구조적으로 제어함으로써 증착되는 박막의 균일성을 확보하는 방법론을 제시하였다. 우선적으로 박막구조를 갖는 금속-유기 골격체인 ZIF-8에 대해, ZnO 시드층을 활용한 순차적 2차성장법을 도입하여 박막의 결함 밀도 및 커버리지를 개선하고, 표면확산이 박막의 성장 방향성에 미치는 영향을 실험적으로 입증하였다. 또한, 액상 프리커서 기반의 CVD 공정을 통해 MoSe2 및 WSe2 등의 2D TMD의 도메인 정렬과 계면 형상을 제어하고, 농도 구배 및 edge- facet 형성 조건에 따른 구조 진화를 구현하였다. 또한, PbI2 나노와이어와 WSe2 단일층을 조합한 혼성계 반데르발스 이종접합 구조에서 접촉 방향에 따른 엑시톤 방출 특성 차이를 도출하였으며, 이를 통해 접촉 기하학 제어에 따른 광전자 물성 조절 가능성을 제시하였다. 해당 방법론을 통해 3차원적으로 구조가 제어된 반데르발스 적층계 내에서 성장 방향성과 계면구조, 광전자적 특성 간의 상관관계를 규명함으로써, 기존 박리 기반의 단순 적층 방식을 넘어서 성장 과정 자체에서 구조-물성 연계 제어가 가능한 새로운 3차원 적층 엔지니어링 전략을 정립하였다. 해당 결과들은 Applied Surface Science, ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Physics Letters, ACS Nano에 4편의 SCI 논문으로 발표되었고, 2건의 국내특허 출원 및 27건의 국내/국제 학술대회 발표 성과를 얻었다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구는 전구체의 동역학적 전달 제어를 기반으로 2차원 반도체 반데르발스 소재의 적층 방향성을 설계하고, 이를 통해 기존 박리 기반 적층 방식에서 구현하기 어려운 3차원 구조 제어 기술을 확립하였다는 점에서 학술적·기술적으로 큰 의의를 가진다. 특히, 촉매 기반의 성장 조건을 활용하여 계면에서의 프리커서 확산 거동을 제어하고, 구조의 방향성 및 계면 특성에 따른 광전자 물성을 실험적으로 정량화한 점은 차세대 이방성 반도체 소자 설계에 핵심 기술로 직결될 수 있다. 해당 성과는 광검출기, 양자광원, 유연전자소자, 다기능 센서 등 고기능 광전소자 플랫폼으로 확장 가능하며, 성장공정이 대면적 웨이퍼로 확장 가능한 특성을 가지고 있어 후속 공정 기술과의 연계를 통해 산업적 파급력 또한 크다. 특히, ZIF-8 기반 MOF 박막은 환경 센서, 가스 분리 필름 등으로 응용 가능성이 높으며, PbI2/WSe2 접합구조는 정밀 엑시톤 제어 기반 광소자 및 저전력 소자 설계에 활용 가능하다. 경제적으로는 수입 의존도가 높은 정밀 소재 증착 기술의 국산화, 고기능 반도체/광학 소자의 글로벌 경쟁력 확보를 통해 수입 대체 및 수출 증대 효과도 전망된다. 또한, 본 과제를 통해 양성된 다학제 기반 전문인력은 소재·소자 융합 분야의 핵심 인력으로 활용될 수 있으며, 향후 기업체 공동연구 및 기술이전을 통해 산업 현장으로의 기술 확산이 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

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