차세대 반도체 소자 제작기술개발 난제 해결

2차원 반도체 물질의 상변화를 이용한 반도체-금속 수평이종접합 소자기술개발

KBSI-센트럴플로리다 대학교 공동연구, 나노분야 세계적 권위의 학술지

Nano Letters 표지 논문 게재

  차세대 반도체 기술의 중요한 부분으로 향후 전자 소자, 광전자 소자, 양자기술 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌어 낼 것으로 기대되는 2차원 반도체 물질 연구 분야의 난제를 국내 연구진이 풀었다.

사진 1. 연구자 사진_

(공동교신저자) KBSI 정희석 박사(왼쪽), UCF 정연웅 교수(중앙) /(제1저자) UCF 한상섭 박사후연구원(오른쪽)

 한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI)은 소재분석연구부 정희석박사 연구팀이 센트럴 플로리다대학교(이하 UCF) 재료공학과 및 나노테크놀로지 센터 정연웅 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 2차원 전이금속디칼코젠*(이하 TMD) 반도체 물질 간의 상변화를 통한 이상적인 수평 금속-반도체 접촉을 형성하는 방법을 개발하여 2차원 반도체 물질의 접촉저항 문제를 해결했다고 22일 밝혔다.  

* 2차원 전이금속디칼코젠(TMD) : 전이금속 디칼코게나이드계 2차원 나노물질(2D Transition Metal Dichalcogenides)은 MX2 화학식으로 나타내며, M은 전이금속(주기율표의 d-구역 원소를 통칭, 주기율표 3~12족), X는 칼코겐 원소(주기율표 16족)로 서로 공유결합을 이루어 층을 이루며 각 층은 반데르발스 결합을 통하여 결합하고 있다. TMDs 소재들은 구성원소 및 층의 개수에 따라 금속, 초전도 또는 반도체 특성을 나타낸다.

 2차원 TMD 물질은 고유의 우수한 전기적, 물리적, 화학적 특성으로 실리콘 소자의 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 물질로 주목받고 있으나 2차원 반도체 물질과 3차원 금속전극과의 높은 접촉저항 문제가 실제 반도체 소자의 상용화에 한계점으로 여겨져 왔다. 

 연구진은 2차원 TMD 물질인 백금(Pt)과 각각 셀레늄(Se2) 혹은 텔루륨(Te2) 으로 구성된 PtSe2와 PtTe2 간의 상변화를 통한 화학기상증착법을 이용하여 대면적 금속-반도체-금속 구조의 2차원 반도체 소자 제작에 성공했다. 

그림 1. 투과전자현미경 관찰 이미지_

2차원 PtSe2 반도체 물질과 PtTe2 금속 물질 간의 상변화에 따른 각 물질의 구조변화 투과전자현미경 관찰 이미지, (a-e) PtSe2에서 PtTe2로의 상변화에 따른 저배율 투과전자현미경 이미지와 SAED 패턴 이미지, 그리고 고배율 투과전자현미경 이미지. (g-k) PtTe2에서 PtSe2로의 상변화에 따른 저배율 투과전자현미경 이미지와 SAED 패턴 이미지, 그리고 고배율 투과전자현미경 이미지.

 특히, 본 반도체 소자는 기존 금속전극과의 3차원 접촉으로 이루어진 반도체 소자보다 훨씬 낮은 접촉저항 값을 보이고, 작동효율도 대폭 향상된 우수한 반도체 소자 특성을 갖는 것을 확인했다. 

 이번 연구를 통해 다양한 2차원 물질들의 이상적인 반도체물질과 금속전극 간 접촉계면을 형성할 수 있는 접근 방법을 제시하였으며, 현재까지 극복하기 어려웠던 접촉저항 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

그림 2. 연구논문 과정 대표 이미지_

(a) 2차원 금속-반도체-금속 이종결합구조의 설계단계도(좌측)와 실제 전자기기의 광학현미경사진(우측) (b) 2차원 금속-반도체-금속 이종결합소자의 광학현미경 사진(상단)과 Raman mapping 이미지(하단) (녹색영역: PtSe2, 빨강영역: t-PtTe2). (b)의 광학현미경의 십자가 표시에 해당하는 Raman 스펙트럼(c)과 이에 해당하는 cross-sectional 투과전자현미경 EDS mapping 이미지, (d): PtSe2 영역, (e): t-PtTe2 영역

 UCF 정연웅 교수는 “반도체 물성과 금속 물성을 갖는 2차원 물질 간의 상변화를 이용한 2차원 수평접합구조의 합성을 통해 기존의 3차원 접촉으로 이루어진 반도체 전자소자와 비교하여 접촉저항을 현저하게 낮춘 고성능 반도체 전자소자를 설계하고 제조하는데 중요한 실마리를 제공한 것”이라고 밝혔다. 

사진 1. 연구장비(KBSI 소재분석연구부 보유)_

2차원 전이금속디칼코젠 물질들(PtSe2 및 PtTe2)의 상변화 및 이종접합구조 분석에 활용된 STEM용 수차보정 투과전자현미경

 또한 KBSI 소재분석연구부 정희석 박사는 “금속-반도체 물질간의 상변화와 이를 이용한 수평접합구조 반도체소자의 원자단위 관찰과 원리규명에는 수차보정 투과전자현미경의 역할이 가장 중요했다”며, “KBSI가 보유한 세계적 수준의 첨단연구 장비와 연구인력이 차세대 반도체 소자 및 기기의 개발 등 국가적으로 중요한 반도체 분야의 난제들을 해결하는데 앞으로도 많은 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

서울대학교, 동아대학교, 미국 텍사스오스틴대학교, 스웨덴 린네대학교 간 국제공동연구 수행을 통해 얻어진 이번 연구성과는 나노분야의 저명 학술지인 나노 레터 誌* (Nano Letters)에 2월 14일자로 출판 되었으며, 연구성과의 우수성을 인정받아 학술지의 추가 커버 이미지(Supplementary Journal Cover Image)로도 선정되었다.  <끝> 

* 논문명 : Reversible Transition of Semiconducting PtSe2 and Metallic PtTe2 for Scalable All-2D Edge-Contacted FETs, IF=10.8

  공동교신저자 : 정희석(KBSI), 정연웅(UCF)