^*트랜지스터: 반도체 소자인 트랜지스터는 전극인 금속(도체), 절연체, 반도체 물질로 구성된다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

더 많은 소자 구조를 하나의 반도체 칩에 집적하기 위해서는 수 나노미터 수준의 나노 구조를 형성할 수 있는 기술이 필요하다. 이빔 리소그래피나 극자외선 리소그래피 같은 기술이 계속 발전되어 이용되고 있으나, 이러한 기술들은 대면적에 적용하기 어렵거나 운용 및 유지 비용이 많이 드는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 본 연구에서는 원자층증착법을 이용한 나노 소자 플랫폼제작 기술을 개발하였다. 원자층증착법을 이용하면 박막의 두께를 원자층 단위로 조절할 수 있어서, 실리콘 웨이퍼 크기의 넓은 면적에서 반도체 채널 길이를 정밀하게 조절할 수 있는 장점을 가진다.

2. 연구내용

웨이퍼 위에 금속 전극을 형성하고 원하는 반도체 채널 길이에 해당하는 박막을 원자층증착법에 의해 증착하고, 그 옆에 2차 전극을 형성하여 10나노미터 이하의 나노갭 구조를 형성하였다. 이 구조를 웨이퍼 기판으로부터 떼어냄으로써 웨이퍼 기판과 같은 평평함 정도를 가지는 금속 전극 구조를 개발하였다. 이 평평한 기판 위에 이차원 물질을 집적하여 손쉽게 반도체 소자를 만들 수 있다. 이러한 초미세 소자 구조에서는 전극 사이에 강한 전기장이 형성되어 빛에 의해 분리된 전하들이 더 효과적으로 분리되어 광검출기 효능을 향상시킬 수 있음을 보여주었다.

3. 기대효과

나노갭 구조의 크기를 쉽고 균일하게 조절할 수 있는 플랫폼 형태로 만들 수 수 있어 이번 연구에 쓰인 이차원 물질 뿐만 아니라, 일차원 물질이나 나노점등의 구조, 또는 바이오 물질이나 분자와도 융합이 가능해 다양한 분야에서 분자 단위 물질을 이용한 소자구조로서 활용될 수 있다. 또한 제작 과정이 간단하고 기존의 반도체 공정에서 많이 쓰이는 원자층증착법에 의존하므로 별다른 설비나 비용의 투자 없이 10 나노미터 이하의 소자 개발에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 또한 본 연구에서 보였듯이, 보다 향상된 성능을 가진 초미세 광학 소자로서 개발이 가능하여, 앞으로 초소형 초고속 광통신 소자 및 광기반 반도체 칩 등에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 원자층증착법(Atomic Layer Deposition)

박막 성장 기술의 하나로서 두 개 이상의 기체 상태의 전구체(precursor) 사이의 화학적 반응을 통하여 넓은 영역에 균일하게 원자층 박막을 한층씩 증착시키는 기술이다.

2. 전계 효과 트랜지스터(Field-effect transistor)

전계 효과 트랜지스터는 게이트 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전기장을 이용하여 소스와 드레인 두 전극 사이의 전류의 크기를 조절할 수 있는 반도체 소자이다.

3. 광 검출기 (Photodetector)

광검출기는 빛 에너지를 전기등 다른 형태의 에너지로 변환하여 빛을 검출하는 장치이다. 광신호를 주고 받는 초고속 광통신이나, 광신호 기반 반도체 칩에 필수적인 요소이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 나노갭 구조(전극)의 제작과정 (왼쪽)과 2차원물질(이황화몰리브덴)을 융합하여 제작된 소자(트랜지터)의 모습(오른쪽)

그림2. 초미세 반도체 패턴구조(나노갭 구조)를 이용하여 만든 흑린(Black Phosphorus) 기반 트랜지스터 반도체 소자의 전기적 특성(왼쪽)과 나노갭 영역에서의 향상된 광검출 성능을 보여주는 결과(오른쪽)