^*쇼트기 장벽(Schottky barrier): 물리적 성질이 다른 반도체와 금속을 접합했을 때 나타난다. 2차원 반도체 물질에 3차원 금속을 접합 할 경우 접합면에 결함이 많아지고, 에너지 장벽이 높아진다.

^*쇼트키-모트 법칙(Schottky-Mott condition): 금속과 반도체 물질이 접하면 생기는 에너지 장벽인 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 크기를 결정하는 이론. 실제 쇼트키 장벽이 이론값을 따라가면 소자의 성능이 예측가능하다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

반도체 소자1)의 동작 및 성능에서 반도체(활성층)-금속(전극) 접합 특성이 매우 중요하다. 서로 다른 두 물질의 계면 내 쇼트키 장벽(Schottky Barrier)2)의 존재 여부와 그 크기 및 제어 가능성은 소자의 성능과 전체 반도체 제작 공정에 영향을 준다. 기존 실리콘 기반 반도체 소자의 경우 활성층 영역에 이온 주입(ion implantation) 공정3)을 수행한 후 일반적인 금속 전극을 형성해 반도체-금속 접합 특성을 향상했으나, ‘모어 무어(More Moore) 반도체 소자’4)에서는 해당 이온 주입공정의 수행 자체가 물리적으로 불가능하다. 또 2차원 반도체 소재상에 일반적인 금속 전극을 형성할 경우, 반도체-금속 접합 계면에 다양한 형태의 불량이 발생해 소자의 성능을 예측하기 어렵다는 태생적인 한계가 존재한다.

결함에 의한 높은 쇼트키 장벽 및 장벽 높이 제어의 어려움을 해결하기 위해 다양한 시도들이 활발하다. 그러나 상용화를 위해서는 원하는 위치와 형상을 제어하는 2차원 금속 접합기술을 구현해 이를 2차원 반도체 상부에 고품질로 결합하는 것이 필수적이다. 그래핀을 2차원 금속 접합으로 활용한 몇몇 연구들이 기존에 이뤄졌으나 그래핀을 반도체 상부로 옮기는 공정, 금속 배선화(metallization) 공정 도중 발생하는 결함이 전자 주입 효율에 악영향을 미치는 한계가 있었다.

그래핀의 한계를 뛰어넘는 금속 신물질로 유망한 물질은 ‘2차원 전이금속 텔루륨화 화합물(transition metal ditelluride)’다. 이 물질은 매우 깨끗한 반데르발스(van der Waals) 표면, 우수한 전도도, 높은 전기수용능력, 낮은 일 함수(work function) 등의 특성을 가져 새로운 개념의 2차원 금속 접합으로 유망하다. 하지만, 텔루륨(Te) 원자의 반응성과 안정성이 낮아, 이 화합물을 대면적으로, 또 고품질로 합성하기는 여전히 어렵다.

2. 연구내용

 연구팀은 금속합금원료(NixTey, 니켈텔루륨 화합물)에서 증발한 텔루륨(Te) 기체를 특정 공간에 가두는 공법으로 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물을 제조하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 낮은 공정온도(<500 ℃)에서 단시간(수 분)에 제조가 가능할 뿐만 아니라, 원하는 형태로 원하는 위치에 합성할 수 있는 장점이 있다. 이렇게 얻어진 전이금속 텔루륨화 화합물은 공정 중 야기되는 결함이 거의 없어 아주 우수한 물성들을 보였다.

또 원하는 배선 형태를 따라 구현된 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물 상부에 2차원 반도성 물질을 옮겨 이상적인 2차원 금속-반도체 접합을 구현했다. 이 접합은 표면에 결함이 매우 적어 쇼트키-모트 법칙(Schottky-Mott theory)5)에 부합함을 확인했다. 쇼트키 장벽을 이론에 따라 제어해 전자주입 효율을 높여 고성능 반도체를 구현할 수 있었다.

3. 기대효과

새롭게 개발된 성장공법을 통해 고순도・고품질의 전이금속 텔루륨화 화합물 제조가 가능하므로 차세대 반도체 접합 성능 향상 및 소자 집적화가 가능할 것이다. 특히 상용 금속 배선 기술로는 구현이 힘들 것이라 알려진 쇼트키 장벽 제어가 가능하므로 N/P형 양쪽성을 가진 차세대 반도체 기술로서 발전이 기대된다.

그뿐만 아니라 합성된 나노소재는 매우 얇고 투명하므로, 투명 유연 전자소자 등으로 활용될 수 있다. 또 나노소재의 물리적으로 독특한 에너지 밴드 성질 덕분에 전자주입의 효율적 제어가 필요한 광스핀트로닉스 등 기초 연구 등에 기여할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 반도체 소자

반도체 소자는 실리콘과 같은 반도체(전기 흐름을 조절하는 물질), 금속(도체, 전기가 잘 통하는 물질), 절연체(부도체, 전기가 안 통하는 물질)등으로 구성돼 있다. 각종 전자제품에 들어가는 반도체 칩의 경우 단위 소자(회로) 여러 개가 집적돼 있다. 무어의 법칙(Moore's Law) 은 2년 주기로 이 소자 집적도가 2배씩 향상된다는 것이다. 소자 집적도 높아지면 반도체의 정보 처리 속도 등이 빨라진다. 인텔(Intel)의 공동 설립자인 고든 무어(Gordon Earle Moore)가 1965년에 내놓은 것으로, 소자 집적의 한계로 인해 2016년 2월 무어의 법칙은 공식적으로 종말을 맞았다.

2. 쇼트키 장벽(Schottky barrier)

서로 다른 에너지 밴드를 갖는 금속과 반도체가 맞닿는 경우 전자가 넘어야 하는 에너지 장벽이 생긴다.

3. 모어 무어(More Moore) 반도체

상용화된 반도체 소자를 구성하는 실리콘 반도체 대신 그래핀과 같은 새로운 2차원 소재를 이용해 소자 집적 한계를 극복하려는 움직임을 뜻한다. 소자 집적도를 높이기 위해 회로 선폭을 좁히다 보면 ‘터널링 효과(tunneling effect)’가 발생한다. 나노미터(㎚, 10억 분의 1m)의 세계는 고전물리학이 아닌 양자역학이라는 법칙으로 움직이며, 전자 물질을 뚫고 통과하는 ‘터널링 효과(tunneling effect)’는 고밀도 집적회로를 개발하는 데에 큰 장애물이다. 이에 5㎚ 또는 그 이하의 회로 선폭을 가지는 칩을 만드는 것은 불가능하다고 여겨지게 됐다. 이를 극복하기 위해 업계에서는 실리콘이 아닌 새로운 반도체 재료로 칩 만들자는 ‘모어 무어(More Moore)’ 움직임이 시작됐다. 대표적인 후보 재료로는 그래핀과 같은 2차원 신소재를 들 수 있다. 참고로 모어 무어는 반도체 소자 미세화 대응 기술이고, 모어 댄 무어(More than Moore)는 AI소자, 생체소자(Biochip)과 같은 신개념 소자 개발 관련 기술이다.

4. 이온(전자) 주입 공정(ion implantation)

이온 주입공정을 통해 반도체(실리콘)의 전기전도도를 조절할 수 있다. 이온 주입공정을 통해 쇼트키 장벽을 넘는 전자의 숫자를 늘릴 수 있다 

5. 쇼트키-모트 이론(Schottky-Mott theory)

금속과 반도체 물질이 접하면 생기는 에너지 장벽인 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 크기를 결정하는 이론이다. 일반적으로 금속의 일함수(금속의 전자를 진공으로 떼는데 필요한 에너지)와 반도체의 전자 친화도(전자를 좋아하는 성질) 차이에 비례한다. 하지만 3차원 물질의 경우 불포화된 결합(dangling bond)이 물질 표면으로 드러나기 때문에 쇼트키 장벽 크기가 쇼트기-모트 이론을 따르지 않는다. 이번 실험에서는 불포화 결합이 없는 2차원 반도체와 2차원 전극을 접합해 쇼트키 모트 이론에 근접한 쇼트키 장벽 값을 얻을 수 있었다.

[붙임] 그림설명

그림1. 대면적 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물 성장과 이를 이용한 반도체 성능 제어

(a) 4인치 SiO₂/Si 기판에 성장된 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물 사진

(b) 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물 패턴의 확대된 광학 사진

(c) 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물을 활용한 차세대 반도체-금속 접합의 모식도

(d) 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물(WTe₂ 및 MoTe₂)를 활용해 쇼트키 장벽 크기(Schottky barrier height)의 제어 결과를 나타낸 그래프. 이상적인 쇼트키-모트 이론(Schottky-Mott limit)을 잘 따르면서도, 다른 2차원 소재들보다 훨씬 낮은 쇼트키 장벽을 가짐을 알 수 있다.

그림2. 대면적 기판 위에 합성된 2차원 전이금속 텔루륨화 화합물을 묘사한 모식도.