2차원 물질 기반 고성능 p형 반도체 소자 개발

UNIST(총장 이용훈) 반도체 소재·부품 대학원 및 신소재공학과 권순용 교수팀은 UNIST 이종훈 교수팀과 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체(MoTe2)를 이용한 고성능의 p형 반도체 소자를 제작하는 데 성공했다.

CMOS는 p형 반도체와 n형 반도체가 상보적으로 접합된 소자다. 소비전력이 적은 반도체 소자로 PC, 스마트폰 등 일상적인 전자소자에 널리 사용된다. 실리콘 소재의 CMOS가 주로 사용되는데, 이온(ion)을 주입하는 공정을 통해 p형, n형 반도체 소자를 구현할 수 있다.

2차원 물질은 차세대 반도체로 각광받고 있는데, 두께가 매우 얇아 같은 공정 시 구조가 쉽게 파괴된다. 특히, 2차원 물질은 일반적인 3차원 금속전극을 형성할 때 계면에서 다양한 결함이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위한 다양한 연구들이 진행됐지만, 대부분의 연구는 ‘n형 반도체’에 집중돼있다.

연구팀은 반대로 ‘p형 반도체’ 중 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체(MoTe2)를 활용했다. 화학적 반응으로 박막을 만드는 화학기상증착법(CVD)을 통해 4인치의 큰 면적에서 소자를 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 개발된 기술을 기반으로 2차원 반금속(semi-metal)에 3차원 금속을 증착했을 때 일함수가 조절되는 점을 활용해 고성능 p형 트랜지스터를 제작했다.

그림1. 대면적 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체(MoTe2)의 합성 및 3차원 금속2차원 반금속 전극을 통한 고성능 p형 트랜지스터 소자 구현

합성 온도와 시간을 조절해 4인치 크기의 반도체 박막을 고순도로 합성했다. 반금속 박막에 상변이를 돕는 반도체 시드(seed)를 옮긴 후, 500도 이하의 저온으로 합성하면 시드의 결정 모양대로 고품질의 반도체가 형성된다는 것을 확인했다.

연구팀은 일함수가 조절되는 성질을 이용해 새로운 트랜지스터를 구현했다. 전하를 옮기는 물질인 ‘전하 운송자’가 들어가지 못하게 막는 배리어층이 최소화된 트랜지스터다. 또한, 3차원 금속이 2차원 금속의 보호막 역할을 해 기존보다 수율이 향상된 트랜지스터 어레이 소자 구현이 가능함을 확인했다.

제 1저자인 장소라 석·박통합과정 연구원은 “이번 연구에서 개발한 소자 제작 방법의 경우 논문에서 제시된 2차원 반도체뿐 아니라 다양한 2차원 소재에 적용 가능하다”며 “개발된 2차원 소재가 CMOS 산업에 적용돼 집적화 향상에 기여할 수 있기를 기대한다”고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 권순용 교수(반도체소재부품대학원/신소재공학과, 공동교신저자), 이종훈 교수(신소재공학과, 공동교신저자)와 송승욱 박사(공동 제 1저자, 현 미국 펜실베니아대학교), 윤아람 박사(공동 제 1저자), 장소라 대학원생(공동 제 1저자) 등이 참여했다.

성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 8월 7일 온라인 게재됐고, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 및 중견연구자지원사업과 IBS 다차원탄소재료연구단, UNIST 미래 선도형 특성화사업에서 지원받아 수행됐다.

관련기사 링크 : https://news.unist.ac.kr/kor/20230824/