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연세소식

[연구 프론티어] 임성일 교수팀, 2차원 반도체 소자 실용화 가능성 확장

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2018-04-09

임성일 교수팀, 2차원 반도체 소자 실용화 가능성 확장

 

이차원 금속-이차원 반도체 쇼트키 접합 소자개발
나노과학전문 국제학술지 ‘나노 레터스’에 연구성과 게재

 

 

임성일 교수(물리학과) 연구팀이 2차원 금속과 2차원 반도체 사이의 반데르발스 결합을 이용하여 쇼트키 다이오드 및 트랜지스터 소자를 동시에 구현하는 데 성공했다. 이는 향후 2차원 반도체소자의 실용화 가능성을 크게 확장하였다는 점에 큰 의미가 있다.


이차원 물질이란 원자층간 결합이 반데르발스 결합으로 되어, 기계적 박리에 의한 2차원 형태의 구현이 가능한 물질이다. 대표적으로는 그래핀, 전이금속디칼코젠(TMD) 화합물, 흑린 등이 있다. 그 중 TMD 계열의 화합물은 금속과 칼코젠물질의 조합에 따라 반도체, 금속, 초전도체 등 다양한 성질을 보여 나노 전자 기술을 위한 차세대 물질로서 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.

 

현재 이를 이용한 대표적 소자는 절연체 산화막를 적용한 이차원 반도체 트랜지스터로서 많은 종류의 이차원 반도체들이 학술지에 게재되고 있지만, 채널과 산화막 사이의 계면에 필연적으로 계면결함이 야기되면서 트랜지스터 소자들은 제작 시 항상 불안정성을 보여 왔다. 즉, 소자가 동작하는 문턱 게이트 전압이 제작된 소자마다 일정하지 않음을 보여 왔다. 이같은 절연체 적용 트랜지스터 소자의 불안정성은 세계적으로도 연구의 문제점으로 대두되어 왔으며 실제 산업적 응용성 측면에서 걸림돌이 되어 왔다.

 

 

임성일 교수 연구진은 본 연구에서 절연체 산화막을 사용하지 않고 이차원 쇼트키 금속막과 이차원 반도체막을 접합함으로써 계면결함의 문제를 해결하려 했다. 수 나노미터 두께의 몰리브덴 황화물(MoS2) 반도체 채널과 비슷한 두께의 나이오븀 황화물 (NbS2) 전도층을 적층시켰을 때 계면에 쇼트키 장벽이 생기는 것을 확인했으며, 그 장벽의 크기는 켈빈 주사 탐침 현미경(SKPM)으로 분석 측정되었다. 이러한 결과를 기반으로 절연층 산화막 대신 쇼트키 장벽을 이용하는 쇼트키 트랜지스터 소자를 구현했으며, 이들 트랜지스터들은 제작할 때마다 거의 일정한 문턱 전압을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 동시에 이러한 이차원 쇼트키 접합은 다이오드 소자로도 동작을 하기 때문에 용도에 따라 트랜지스터 및 다이오드로도 그 역할이 가능함을 보였다.

 

반도체 트랜지스터 채널의 전극으로 그래핀을 사용한 경우에는 800 cm2/V S 라는 매우 높은 트랜지스터 소자의 이동도를 얻었는데, 본 연구진의 쇼트키 트랜지스터 소자 실제 응용으로는 압전 터치 센서 회로가 제안되었다[그림 1]. 그 결과로 ±1 V 의 낮은 압전 스위치로 회로가 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.

 

 

이번 연구는 임성일 교수(교신저자)와 같은 학과의 이연진 교수, 그리고 기계공학과의 전성찬 교수가 함께 연구했으며, 신형곤 박사과정 학생(제 1저자)이  소자제작 및 전기적 특성 등에 참여했다. 본 연구는 미래창조과학부의 중견연구자 도약사업 및 선도연구센터사업의 지원으로 수행되어, 나노과학전문 국제학술지인 ‘나노 레터스Nano Letters'에  최근 온라인 게재되었다.

 


[용어 설명]

 

1. 그래핀(Graphene): 탄소의 동소체 중 하나로 탄소원자들이 벌집 격자구조로 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 원자 1개 두께로 이루어진 얇은 막으로 두께는 0.2 nm 로 엄청나게 얇으면서 물리적, 화학적 안정성이 높다. 스카치테이프를 통한 기계적 박리법으로 흑연에서 그래핀을 최초로 박리해낸 공로로 연구진(안드레 가임, 콘스탄틴 노보셀로프)들이 2010년 노벨 물리학상을 수상하였다.

 

2. 반데르발스 결합: 공유결합이나 이온간의 전기적 상호작용이 아닌, 분자간 혹은 한 분자 내의 부분간의 작은 정전기적 상호작용에 의한 결합을 말한다.

 

3. 쇼트키 장벽: 금속과 반도체의 접촉부에서 생기는 전위의 차이로 나타나는 장벽이다.

 

4. 문턱 게이트 전압: 어떠한 장치 또는 전자 부품이 동작을 시작하는 전압으로, 트랜지스터의 경우 소스에서 드레인으로 전류가 흐르는 기준이 되는 게이트 전압을 말한다.

 

 


[그림1] 쇼트키 접합 소자의 모식도.

그래핀이 소스와 드레인 그리고 게이트 전극의 역할을 하였다. MoS2 는 2차원 반도체이며 NbS2는 2차원 금속 전도체 역할을 하여 소스에서 드레인 방향으로는 트랜지스터 전류가 흐르게 되며, 소스에서 게이트로는 쇼트키 다이오드 전류가 흐르게 된다.
  

 

vol. 615
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