[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

이차원 물질 중 하나인 전이금속 칼코젠화 화합물반도체 (transition metal dichalcogenide, TMD)1) 는 실리콘 물질에 버금가는 밴드갭을 가지며 화학기상증착법2) 을 통한 대면적 합성이 가능하며, 얇은 두께에서도 우수한 전자이동도를 갖는 특징 덕분에 실리콘을 대체할 반도체 물질로서 각광받고 있다. 그러나 이러한 전이금속 칼코젠화 화합물 기반 p형 반도체 소자3) 제작 기술 연구는 n형 반도체 소자4) 제작 연구에 비해 부진하게 진행된 상황이다. 이차원 물질을 상보형 금속산화 반도체 (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)5) 에 적용하기 위해서는 현재 n형 전자소자의 성능에 버금가는 p형 소자 제작 기술이 마련되어야한다.

전이금속 디칼코젠 물질 기반 p형 반도체 소자의 제작이 어려운 이유는 물질에 칼코젠 결함이 생기게 되면 물질 내 n형 도핑효과가 생기게 되는데 전이금속 디칼코젠 화합물에서의 결함 형성에너지 중 칼코젠 결함이 형성되는 에너지가 가장 낮기 때문에 비교적 쉽게 형성이 되어 보통 n형 반도체로 합성이 많이 된다. 또한, 소자 제작시의 금속 전극을 형성하는 과정에서의 증착 에너지는 금속-반도체 접합 계면에서의 칼코젠 결함을 형성하게 되며 이는 페르미 에너지 준위 고정 현상6)을 유발하여 금속 전극에 따른 n/p형 조절이 어려워지는 원인으로 작용한다. 뿐만 아니라, 고온의 합성과정을 통해 산화물 기판 (실리콘 옥사이드, 알루미늄 옥사이드)으로부터의 물질 내에 산소 도핑이 될 수 있는데 이 또한 n형 도핑 효과를 유발한다. 따라서, 고품위 p형 전이금속 디칼코젠 물질의 저온합성 기술 및 금속 전극 형성 시에 발생하는 금속-반도체 접합면에서의 결함을 최소화 시키는 것이 고성능의 p형 반도체 소자를 제작하기 위해서는 필수 불가결하다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해서 이차원 반도체 물질 위에 낮은 융융점을 가진 금속 (Bi, In)을 증착하거나 금속 전극을 선증착한 후 이차원 물질로 전사하는 방법 등을 이용한 연구들이 수행되어 왔다. 하지만 이러한 연구들은 n형 반도체 소자에 비해 한정적으로 이루어지거나 대량생산을 하는데 한계가 있었다. 따라서 현재까지 발표된 n형 2차원 반도체 소자 제작 기술에 버금가는 고성능 2차원 p형 반도체 소자를 제작하기 위해서는 고품위의 p형 반도체 물질의 합성법 개발 및 대면적화가 가능한 체계적인 공정기법이 필요한 상황이다.

2. 연구내용

연구팀은 텔루륨 기체를 가두는 방식을 활용한 화학기상증착법을 통해 p형 반도체 물질 중 하나인 몰리브덴 디텔루라이드 화합물 (Molybdenum Ditelluride, MoTe2)을 합성하는데 성공했다. 전이금속 디칼코젠 화합물 중 하나인 몰리브덴 디텔루라이드 화합물은 반금속 (semi-metal) 특징을 띄는 1T’ 상과 반도체 (semiconductor) 특징을 지닌 2H 상의 동질이상을 가지는데, 1T’ 및 2H 두 상의 형성 에너지 차이가 작기 때문에 (~35 meV) 합성 중 두 동질이상이 무작위로 섞이는 현상이 생길 수 있다. 본 연구에서는 합성 온도 (500~700 ℃) 및 합성 시간 등을 조절하여 두 가지 상의 형성 원리를 규명하였으며 이를 통해 4인치 크기의 순수한 반도체 상 획득 기술을 개발하였다. 또한, 합성된 반금속상의 박막 위 반도체 상 시드(seed)를 전사한 후 합성 공정을 수행하였을 때, 500℃의 낮은 온도에서도 시드의 가장자리로 반도체 상이 에픽택시7) 성장을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 단결정의 반도체 상을 낮은 온도에서 면 방향이 정렬된 센티미터 크기의 반도체 어레이를 구현하였다.

또한, 본 연구에서는 2차원 반금속 상에 3차원 금속전극을 올리게 되었을 때의 전기적 특성 변화를 심도있게 연구하였으며, 이를 통해 3차원 금속의 일함수 값에 따라 하부 2차원 반금속의 일함수가 조절 (4.5~5.6 eV)된다는 것을 실험적으로 확인하였다. 이러한 3차원 금속/2차원 반금속 전극을 합성된 p형 반도체 물질인 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체 박막 위에 옮기는 방법을 이용하여, 금속-반도체 계면에서의 정공 주입 효율을 증대시켜 줄 수 있을 뿐만 아니라 높은 수율의 칩 크기의 어레이 소자를 구현할 수 있음을 확인하였다.

제작된 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체 트랜지스터 소자에서는 정공 주입을 위한 장벽의 크기가 약 14 meV 정도로 거의 0에 가까운 값을 나타내었다. 이에 따라 트랜지스터는 높은 작동전류밀도(~7.8μA/μm) 및 전류 점멸비 (~105)를 보였으며, 이는 타 텔루륨화 화합물반도체 기반 트랜지스터 소자 중 가장 우수한 성능이었다.

3. 기대효과

본 연구결과에서 제시된 대면적의 2차원 반도체 합성 기술 및 저온 에피텍시 기술은 기존의 2차원 물질을 사용하는데 있어서의 한계로 작용했던 대량화와 후공정라인 (back-end-of line, BEOL)에 적용하는데 장점을 가진다.

또한, 3차원 금속/2차원 반금속 전극을 이용한 소자 제작 기술은 논문에서 제시된 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체 뿐만 아니라 다양한 2차원 물질을 활성층으로 이용한 소자에 적용 가능하며, 이를 이용한 다양한 전자소자로의 응용이 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 전이금속 디칼코젠 화합물 (transition metal dichalcogenides, TMD)

MX2 (M = 전이금속, X = 칼코젠 원소)의 구조식을 지니고 있으며, 그래핀과 같은 유사한 층상구조를 가진 2차원 화합물을 말한다. 강한 in-plane 공유결함과 약한 out-of-plane 반데르발스 결합에 의해 구성되어 있다. 금속과 결합하고 있는 칼코젠 원소의 위치에 따라 두 가지 구조로 나눌 수 있으며, 대표적으로는 삼각기둥 모양의 2H (trigonal prismatic)과 팔면체 결정 모양의 1T(octahedral) 로 구분되며 결합 구조 및 채워진 오비탈에 따라서 전기적 특성이 바뀌게 된다.

2. 화학기상증착법 (CVD)

박막재료를 구성하는 원소를 포함하는 가스를 기판 위에 공급해 기상 또는 기판 표면에서의 열분해, 산화환원반응, 치환 등의 화학적 반응으로 박막을 기판 표면에 형성하는 방법이다.

3. p형 반도체 소자

반도체 소자가 작동하는데 있어서 주 전하 운송자가 정공일 때를 p형 반도체 소자라고 한다.

4. n형 반도체 소자

반도체 소자가 작동하는데 있어서 주 전하 운송자가 전자일때를 n형 반도체 소자라고 한다.

5. 상보형 금속산화 반도체 (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)

직접회로의 한 종류를 의미하며, MOSFET 소자로서 PMOS 와 NMOS를 상보적 대칭으로 사용하는 소자를 의미한다.

6. 페르미 에너지 준위 고정 현상

금속-반도체 접합이 생성되었을 때 계면 부위의 에너지 밴드갭 내부에 생성된 에너지 준위 때문에 반도체 표면에서 특정 에너지에 평형 페르미 준위가 고정되는 현상을 뜻한다.

7. 에피텍시 (epitaxy)

결정 기판 위에 방향성을 가진 결정막이 자라는 현상을 말한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 대면적 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체(MoTe2)의 합성 및 3차원 금속/2차원 반금속 전극을 통한 고성능 p형 트랜지스터 소자 구현

(a) 합성된 4인치 기판 크기의 반금속(semi-metal)·반도체(semiconductor) 박막의 광학 사진.

(b) 반도체상 시드(seed) 전사에 따른 에픽텍시 합성법에 대한 광학 사진.

(c) 투과전자현미경 (TEM) 측정결과를 통해 반도체상 시드를 이용한 저온 합성법으로 시드와 새롭게 합성된 반도체상이 결정방향이 일치한 것을 확인할 수 있다.

(d) 반데르발스 반금속을 이용하였을 때의 MoTe2 트랜지스터에서의 밴드구조를 보여주는 모식도.

(e) 삼차원 금속 Pt 및 삼차원금속/이차원 반금속 전극 (Ag/1T’, Au/1T’)을 이용했을때의 쇼트키 장벽의 크기를 보여주는 그래프로, Au/1T’ 전극에서 가장 낮은 정공 주입 장벽 (Schottky barrier height) 값인 14 meV을 가짐을 보여준다.

(f) 본 연구에서 구현된 소자에서의 정공이동도와 전류 점멸비. MoTe2 를 활성층으로 한 다른 연구결과들과 비교했을 때, 본 연구의 결과 값이 정공이동도 뿐만 아니라 전류 점멸비 또한 우수한 값을 가지고 있다는 것을 확인할 수 있다.