난제 였던 반도체-금속 수평이종접합 소자기술개발
나노분야 세계 학술지 'Nano Letters' 표지 논문 게재
전자 소자, 광전자 소자, 양자기술 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌어 낼 것으로 기대되는 2차원 반도체 물질 연구 분야의 난제를 국내 연구진이 찾아냈다는 소식이다.
22일 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 소재분석연구부 정희석박사 연구팀이 센트럴 플로리다대학교(UCF) 재료공학과 및 나노테크놀로지 센터 정연웅 교수 연구팀과의 공동연구로 2차원 전이금속디칼코젠(TMD) 반도체 물질 간의 상변화를 통한 이상적인 수평 금속-반도체 접촉을 형성하는 방법을 개발하여 2차원 반도체 물질의 접촉저항 문제를 해결했다고 밝혔다.
2차원 전이금속디칼코젠(2D Transition Metal Dichalcogenides, 2D TMD)은 전이금속 디칼코게나이드계 2차원 나노물질을 의미한다. MX2 화학식으로 나타낸다.
이번 연구 결과는 나노분야 세계적 권위의 학술지 〈나노 레터(Nano Letters)〉지에 지난 14일 자로 출판됐으며, 표지 논문으로 선정되었다. 논문명은 'Reversible Transition of Semiconducting PtSe2 and Metallic PtTe2 for Scalable All-2D Edge-Contacted FETs'이다.
연구팀에 따르면 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 물질 간의 상변화를 통한 화학기상증착법을 이용해 대면적 금속-반도체-금속 구조의 2차원 반도체 소자 제작에 성공했다고 설명했다.
화학기상증착법은 반도체 제조 공정 중의 한 단계로 화학물질을 열 또는 플라즈마를 이용해 기체 상태로 변화하여 웨이퍼의 표면에 필요한 반도체, 금속 등을 증착하는 방법이다.
특히 해당 반도체 소자는 기존 금속전극과의 3차원 접촉으로 이루어진 반도체 소자보다 훨씬 낮은 접촉저항 값을 보이고, 작동효율도 대폭 향상된 우수한 반도체 소자 특성을 갖는 것을 확인했다.
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.
KBSI 소재분석연구부 정희석 박사는 “금속-반도체 물질 간의 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.
이번 연구 성과는 서울대학교, 동아대학교, 미국 텍사스오스틴대학교, 스웨덴 린네대학교 간 국제공동연구 수행을 통해 이루어졌다.
포인트경제 김지연 기자