[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

금속/반도체 접합은 반도체 소자에서 전하가 주입되고 빠져 나오는 관문이다. 이 부분은 소자의 동작 특성과 소비전력을 결정하는 데 중요한 역할을 할 뿐 아니라, 그 자체로도 정류 작용을 하는 다이오드다. 따라서 제작된 반도체 소자가 설계한 대로 작동시키는 데는 금속/반도체 접합의 전기적 특성을 임의로 조절하는 일이 필수적이다.

그런데 기존 반도체 공정을 사용해 금속/반도체 접합을 형성하면 접합면에서 발생하는 금속과 반도체 원자들의 상호 확산이 일어날 수 있다. 이 때문에 물질 간 경계가 불분명해지고 접합의 전기적 특성이 예측 불가능하게 변화되는 현상이 발생한다.

본 연구에서는 이와 같은 금속/반도체 접합면에서 원자 확산을 방지하면서도 접합면의 전하 이동에는 영향을 주지 않는 확산 방지막을 찾았다. 이를 바탕으로 물질 간 경계가 분명한 이상적 구조의 금속/반도체 접합을 제작해 접합의 전기적 특성이 이론적 예측과 어느 정도 부합하는지 알아보고자 했다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 실리콘 반도체 표면에 단일 원자층 그래핀을 얹은 후, 금속 박막을 증착해 ‘금속/그래핀/반도체 접합’을 형성했다. 그 결과 그래핀이 접합면에서 금속과 반도체 원자들의 상호 확산을 막아 접합면을 통한 누설전류를 현저히 줄인다는 것을 확인했다.

본 연구팀은 또 금속/반도체 접합면의 전자 에너지 장벽을 가장 정밀하게 알아낼 수 있는 측정법 중 하나인 내부광전자방출 측정을 수행했다. 그 결과 금속/반도체 접합면에 그래핀을 끼워 넣을 시 접합면의 전자 에너지 장벽이 공간적으로 균일하고 이론적으로 예측한 경향을 정확히 따른다는 것도 실험적으로 입증했다.

특히 “실리콘 반도체의 경우 금속의 종류에 관계없이 접합면의 전기적 특성이 거의 변하지 않는다”는 이론적 예측이 타당하다는 것도 그래핀 확산 방지막을 사용해 실험적으로 정량적이고 재현성 있게 검증했다. 이는 실리콘이 반도체 소자 제작에 쓰이기 시작한 이래 반세기를 훌쩍 넘긴 시간 동안 제대로 확인하지 못했던 부분이었다.

3. 기대효과

본 연구에서 보여준 그래핀의 우수한 확산 방지 기능은 기존 실리콘 반도체 공정에 직접 적용 가능하다. 특히 반도체 소자의 크기가 나노미터(㎚) 정도로 작아질 경우 물질 간 경계면에서 원자 확산은 소자의 기능 및 신뢰성에 심각한 영향을 미친다. 그래핀 확산 방지막은 이 문제의 근본적인 해결책이 될 수 있을 것으로 기대된다.

또한 원자 확산은 방지하면서도 전기는 잘 통하는 그래핀의 특성은 금속/반도체 접합뿐 아니라 반도체 고주파 통신 소자, 반도체 전력 소자, 초전도 소자 등 여러 다양한 전자소자들의 물질 간 경계면 특성을 향상시키는 데에도 광범위하게 사용될 것으로 예상된다.

[붙임] 용어설명

1. 그래핀(Graphene)

그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양의 격자 형태로 결합한 단일 원자층의 물질이다. 그래핀이 여러 겹 쌓이면 연필에 사용되는 흑연이 되는데, 이 흑연층에서 스카치테이프를 이용해 한 층을 얇게 분리하면서 그래핀이 발견됐다. 그래핀은 원자 한 층으로 이뤄졌음에도 불구하고, 뛰어난 전기적‧물리적 특성을 가지고 있어 전자소자로 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 기존 전자소자에 널리 사용되는 실리콘에 비해 전하 이동도가 매우 높기 때문에 현재 반도체 소자의 한계를 극복할 방안으로 그래핀을 이용한 전자소자가 주목받고 있다.

2. 금속/반도체 접합(Schottky Junction)

반도체 기판에 금속을 증착할 때 형성되는 접합을 ‘쇼트키 접합(Schottky Junction)’이라고 한다. 이 경우 접합면에서 전자 이동을 방해하는 에너지 장벽이 생기는데 이를 ‘쇼트키 장벽(Schottky barrier)’이라고 한다. 접합면에 전압을 줘서 에너지 장벽을 넘어갈 수 있도록 하면 전류를 흘릴 수 있다. 이때 접합에 가하는 전압의 부호에 따라 어느 한 쪽 방향으로는 전류가 흐르고, 반대 방향으로는 전류가 흐르지 않는 정류(Rectifying) 특성을 보인다.

3. 확산 방지막(Diffusion Barrier)

금속/반도체 접합처럼 두 물질이 원자 간 접촉을 할 때, 접합면에서는 두 물질의 원자가 확산돼 서로 뒤섞일 수 있다. 이때 두 물질 사이의 원자 확산을 방지하는 얇은 막을 확산 방지막이라고 한다.

4. 내부광전자방출 측정법(Internal Photo Emission)

내부광전자방출 측정법은 서로 다른 물질 간 접합면의 전자 에너지 장벽을 정밀하게 측정하는 방법 중 하나다. 금속/반도체 접합의 경우, 금속에 단색광을 쪼였을 때 광자들을 흡수한 금속 내 전자의 에너지가 높아져 계면의 전자 에너지 장벽을 넘고 반도체 쪽으로 흘러가게 된다. 따라서 쪼여준 단색광의 에너지에 따른 반도체 쪽의 전류를 측정하게 되면 전자 에너지 장벽의 높이를 정확히 알 수 있다.

[붙임] 그림설명