생산성·성능 향상, 제품화 가능성 확인…실리콘 반도체 대안 기대 

이차원 반도체 소자의 실용화 가능성 높여

(왼쪽부터) 연세대 조정호 교수, 성균관대 강주훈 교수, 연세대 권용현 연구원, 성균관대 김지현 연구원

미세화 공정이 고도로 발전됨에 따라 실리콘 기반의 기존 반도체 산업은 한계에 다다르고 있다. 이차원 반도체는 원자 수준으로 얇은 두께와 그에 따른 독특한 물성을 가져 기존의 실리콘 기반 반도체의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 소재로 오랫동안 주목받고 연구되었다. 하지만 대면적 생산이 쉽지 않고 생산 시 이론에 비해 저조한 성능을 보여 제품화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 생산성과 성능을 모두 겸비한 이차원 반도체 전자소자의 개발이 필요하다. 이에따라 대면적으로 제작 가능한 고성능 이차원 반도체 전자소자가 개발되어 고집적 한계에 직면한 실리콘 반도체 소자의 대안으로 주목받았다.

조정호 연세대학교 교수와 강주훈 성균관대학교 교수 공동연구팀(제1저자: 연세대 권용현 박사과정, 성균관대 김지현 박사과정)이 이온이 주입된 형태의 절연층을 활용한 고성능 대면적 이차원 반도체 전자소자 개발에 성공했다고 밝혔다.

두께가 원자 단위인 이차원 반도체 소재*는 고집적도의 칩 생산이 가능하지만 이론 대비 성능이 낮고 대면적 제작이 쉽지 않아 제품화에 어려움이 있었다.

* 이차원 반도체 소재: 이차원 소재는 두께가 원자 단위로 매우 얇은 소재로 물질의 구조가 두 가지 주요 차원으로만 제한되는 소재이다. 이러한 소재는 평면적인 특성을 가지며, 표면적이 매우 크고 이로 인해 독특한 물리적 및 전기적 특성을 갖게 된다.

슬롯 다이 코팅 기법을 활용해 MoS2/SEA 트랜지스터를 대면적 웨이퍼에 제작하고 로직회로에 응용함.

연구팀은 전기적 특성이 우수하고 대면적 생산이 가능한 이차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)에 이온이 주입된 절연층(sodium- embedded alumina, SEA)을 도입한 고성능 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 개발하여 문제해결의 실마리를 찾았다.

또한, 고성능 MoS2를 용액공정으로 대량 합성하고 잉크형태로 제작 후, 반도체 산업에서 활용하는 슬롯 다이 코팅 기법*으로 절연층과 반도체층 모두 5인치 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하는 공정도 개발하였다.

* 슬롯 다이 코팅: 슬롯 다이 코팅은 반도체 웨이퍼 표면에 정확한 두께의 코팅을 형성하는 기술이다. 특수 장비를 사용하여 반도체 웨이퍼를 안정적으로 고정한 후 이동시키며, 동시에 코팅 재료를 슬롯(구멍)을 통해 웨이퍼 표면에 코팅하는 방식을 말한다.

연구팀이 이온이 주입된 절연층을 활용해 고성능 MoS2 트랜지스터 전자소자의 구동을 확인한 결과 최고 전하이동도*가 100 cm2 V-1 s-1 이상이었다. 이는 기존 용액공정 기반 MoS2 트랜지스터들의 전하이동도가 산화실리콘 기판에서 약 1~5 cm2 V-1 s-1임과 비교해 최고 100배 이상 향상된 결과이다.

또한, 높은 전하이동도의 원인을 밝히기 위해 전하수송 현상과 절연 소재의 일함수**를 분석한 결과, MoS2/SEA 반도체 전자소자에서 전하의 이상적인 이동을 관찰하였다.

* 전하이동도 : 전자와 정동이 움직이는 빠르기를 의미한다. 전하이동도가 낮으면 전기적 신호 전달도 늦어진다.

** 일함수(work function): 재료 표면에서 전자가 이탈하기 위해 필요한 최소 에너지를 의미한다.

더불어, 연구팀은 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 활용해 다양한 로직 회로를 구현하여 실제 전자 제품에 응용 가능성을 입증했다.

조정호 교수는 “이번에 개발한 전자소자는 대면적에 코팅한 MoS2 트랜지스터 중 최고 성능을 달성하여 이차원 반도체 소재의 고성능 소자화 및 대면적화를 동시에 만족하는 방법을 제시하고, 이차원 반도체 소자의 실용화 가능성을 높였다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 우수신진후속지원사업, 미래소재디스커버리사업, 우수연구자교류지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 6월 9일 게재되었다.

□연구개요 

1. 연구내용

○ 본 연구에서는 이온이 주입된 형태의 고유전율 절연 소재 (Sodium-embedded Alumina, SEA)를 개발하였다. 세부적으로는 Na+ 이온을 알루미나(Al2O3)에 주입한 절연체이다. 이러한 고유전율의 절연층을 활용하면 반도체층에 존재하는 전하 트랩들을 효과적으로 부동태화시켜 소자의 성능을 높일 수 있다.

○ 슬롯 다이 기법을 활용하여 대면적(5 인치 웨이퍼)에 반도체(MoS2)와 절연(SEA) 소재를 균일하게 코팅하는 공정을 개발했다. 제작한 MoS2/SEA 트랜지스터 전자소자의 구동 특성을 분석하여 최고 전하이동도는 100 cm2 V-1 s-1 이상 (평균: 80 cm2 V-1 s-1)의 높은 전하이동도를 가지는 것을 확인했고 이는 기존의 용액 공정 기반 MoS2 트랜지스터들에 비해 약 100 배 높은 수치이다.

○ 더불어 전하 수송 현상과 절연체의 일함수 분석을 통해 소자의 높은 성능에 대한 원인을 규명하였다. 전하 수송 현상을 분석한 결과, 개발한 MoS2/SEA 트랜지스터의 전자들이 band-like transport을 하는 것으로 확인되었으며 이는 격자에서 전자들이 가질 수 있는 가장 이상적인 움직임으로 알려져 있다. 이러한 현상은 절연소재의 평탄한 일함수 분포와 높은 정전 용량에 의한 효과로 보여진다.

○ 개발된 MoS2/SEA 트랜지스터 전자소자를 활용하여 다양한 로직 회로(NOT, NAND, NOR, SRAM)를 구현하고 응용성을 입증하였다.

2. 연구성과/기대효과

○ 이차원 반도체 소재는 오랫동안 실리콘 반도체를 대체할 차세대 소재로 주목받아왔지만 낮은 생산성과 성능으로 인해 제품화되지 못했다. 이번 연구는 생산성과 성능을 모두 향상시킨 이차원 반도체 기반 전자소자를 구현하였고 응용성까지 입증했다. 본 연구는 이차원 반도체 기반 전자소자의 대면적 코팅법 및 성능 개선 방안에 대한 방향성을 제시했고 더 나아가 제품화를 향한 이정표를 세울 것으로 기대된다.

한국연구재단 홍보실 제공