[논문]차세대 반도체 소재로서의 이차원 물질의 연구 동향

박주상

차세대 반도체 소재로서의 이차원 물질의 연구 동향 원문보기

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문제 정의

균일한 원자 수준의 얇은 이차원 TMDC의 대면적 고품질 생산은 전기적 광학적 응용에 적용하기 위해서 반드시 필요한데 여기서는 간단히 덩어리 물질들을 박리시키는 방법과 화학적으로 합성하는 방법을 설명하고 그 차이를 보고자 한다.

가설 설정

65 eV의 밴드갭 에너지를 각각 가지며 초록색 빛을 검출하기에 적합하다. 1.35 eV 밴드갭의 세 층 MoS₂는 빨간색 빛에 매우 적합하다. 그리고 TiO2 나노입자, MoS₂ 원자층 나노판 그리고 P3HT(3-hexylthiophene)를 복합한 덩어리 이종접합 태양전지는 최근 1.

제안 방법

최근 디지털 논리 작동이 가능한 다층이차원 TMDC 트랜지스터를 기반으로 하는 기능성 전기회로가 구현되었다. 6개 이상 독립적으로 스위치 가능한 트랜지스터들을 단층 MoS₂ 동일 조각 내에서 리소그래피 (Lithography) 공정으로 여러 전극을 패턴해 만들어졌다. 단층 MoS₂에 만들어진 두 개의 트랜지스터들로 구성된 집적 회로는 논리 인버터와 NOR 게이트 작동을 구현했다.
6개 이상 독립적으로 스위치 가능한 트랜지스터들을 단층 MoS₂ 동일 조각 내에서 리소그래피 (Lithography) 공정으로 여러 전극을 패턴해 만들어졌다. 단층 MoS₂에 만들어진 두 개의 트랜지스터들로 구성된 집적 회로는 논리 인버터와 NOR 게이트 작동을 구현했다. 또한, 두 층의 MoS₂ 위에 복잡한 집적 회로, 인버터, 논리 NAND 게이트, 정적 랜덤 액세스 메모리 (Static access random memory) 그리고 5개의 지연 스테이지를 가지는 피드포워링 오실레이터 (Five-stage ring oscillator) 등을 구현하였다.
단층 MoS₂에 만들어진 두 개의 트랜지스터들로 구성된 집적 회로는 논리 인버터와 NOR 게이트 작동을 구현했다. 또한, 두 층의 MoS₂ 위에 복잡한 집적 회로, 인버터, 논리 NAND 게이트, 정적 랜덤 액세스 메모리 (Static access random memory) 그리고 5개의 지연 스테이지를 가지는 피드포워링 오실레이터 (Five-stage ring oscillator) 등을 구현하였다. 양극성 (전하 운반자가 전자와 양공 모두를 가짐) 수송 성질 전달은 10 nm 두께의 얇은 MoS₂ 이온액체를 게이트로 사용하는 전기 이중층 트랜지스터 (Electric double-layer transistor, EDLT)를 10 nm 두께의 MoS₂에 적용하여 1 × 10¹⁴ cm² 아주 높은 운반자 농도를 가지는 양극성 (전자와 양공이 모두 전하 운반자가 된다) 수송 특성을 발견하였다.
양극성 (전하 운반자가 전자와 양공 모두를 가짐) 수송 성질 전달은 10 nm 두께의 얇은 MoS2 이온액체를 게이트로 사용하는 전기 이중층 트랜지스터 (Electric double-layer transistor, EDLT)를 10 nm 두께의 MoS2에 적용하여 1 × 1014 cm2 아주 높은 운반자 농도를 가지는 양극성 (전자와 양공이 모두 전하 운반자가 된다) 수송 특성을 발견하였다.
또 다른 응용 분야는 여러 종류의 이차원 층상 물질들을 복합하여 적층소자를 만드는 것이다. 최근 전계 유도에 의한 밴드간 터널링 효과를 이용한 트랜지스터 (Field - effect tunneling transistor)를 구현하여 아주 놓은 절체율(Swiching ratio)을 제시하였다 (그림 4).

대상 데이터

이러한 점들은 MoS₂가 강하면서 유연한 기판에 적용될 수 있음을 알려준다. 유연성 트랜지스터는 이온젤 게이트 유전체를 가진 CVD로 성장한 MoS₂와 전기화학적으로 리튬 삽입을 이용하여 박리한 MoS₂에서 실현되었다. 다른 디칼코게나이드 반도체들도 MoS₂와 유사한 기계적 특성을 가지는 것으로 밝혀지고 있으며 이차원 반도체 TMDC는 전도성 그래핀이나 부도체 BN 등의 또 다른 이차원 물질과 합쳐져서 유연 기판 위에 복합된 구조로 이차원 전자기기를 형성할 수 있다.
지난 수십 년 동안 디지털 전자 산업은 더 이상 작아질 수 없는 크기의 한계에 도달하고 있다. 현재 실리콘기반의 모스 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET, metaloxide semiconductor field-effect transistor)의 두께는 22 nm이다. 크기 감소에 따른 양자 효과와 열 적 손실에 따른 어려움과 통계적인 이유 등으로 앞으로 한계에 도달할 것이며, 새로운 소자 개념 및 새로운 물질 탐색의 동기가 되고 있다.

성능/효과

35 eV 밴드갭의 세 층 MoS₂는 빨간색 빛에 매우 적합하다. 그리고 TiO2 나노입자, MoS₂ 원자층 나노판 그리고 P3HT(3-hexylthiophene)를 복합한 덩어리 이종접합 태양전지는 최근 1.3%의 광변환 효과를 보여줬다. 더불어 무기물 흡수 물질인 WS₂와 TiO₂를 혼합하여 전기화학 태양전지가 합성되었다.

후속연구

반면에, 간접 밴드갭의 경우는 운동량 (Momentum) 공간에서의 차이로 인한 추가적인 포논의 흡수 및 방출이 필요하게 되어 빛의 흡수 및 방출 효율이 좋지 않게 된다. 따라서 단층 TMDC는 직접 밴드갭의 반도체로 원자 두께로 가공이 가능하므로 차세대 유연하고 투명한 광전자 소자 개발에 많이 연구될 것으로 생각된다.
고체 시료를 위한 결정 성장 방법은 큰 알갱이 크기와 층수의 균일도와 조절 등에서 대면적 도달을 위해 많은 개선이 필요하다. 앞으로 다양한 연구영역에서 이차원 TMDC물질의 특성과 적용은 상대적으로 흥미롭고 급격한 팽창을 이룰 것이다. (그림 6).
이러한 기계적인 박리 방법과 달리, 액상 분리 방법, 즉, 화학 용액을 이용하여 TMDC를 박리하는 방법이 보고되고 있으며, 이 방법은 추가적으로 잉크젯 방식 및 스프레이 코팅에 이용되어 대용량 생산이 고려되고 있다. 용액기반 TMDC 또한 그래핀과 같이 유연전자 소자 및 혼합물질을 위한 좋은 이용가능성을 가질 것으로 예측된다. 리튬 (Li) 삽입을 이용한 TMDC 박막 분리는 1970년대에 시도되었으며, 보통 리튬을 포함한 용액 (n-butyllithium)에 덩어리 TMDC 분말을 넣어서 분리한다.
비록 TMDC가 지난 수십 년간 폭 넓게 연구되어 왔지만 원자수준의 얇은 물질에서 그들의 특성은 매우 새롭다고 할 수 있다. 이러한 두드러진 특징들 때문에 이차원 TMDC 물질들은 광전자, 스핀전자, 촉매, 화학 생물 센서, 슈퍼 커패시터, 태양광 전지, 리튬이온 배터리 등에 다양하게 적용 가능할 것이다.
양극성 (전하 운반자가 전자와 양공 모두를 가짐) 수송 성질 전달은 10 nm 두께의 얇은 MoS₂ 이온액체를 게이트로 사용하는 전기 이중층 트랜지스터 (Electric double-layer transistor, EDLT)를 10 nm 두께의 MoS₂에 적용하여 1 × 10¹⁴ cm² 아주 높은 운반자 농도를 가지는 양극성 (전자와 양공이 모두 전하 운반자가 된다) 수송 특성을 발견하였다. 이러한 전자와 양공의 수송 특성 모두를 가지는 것은 차후 CMOS 논리와 p-n 결합 광전자 소자에 응용될 가능성이 높다. 이러한 소자에서 점멸비는 단층 소자 보다 매우 낮은데, 그 이유는 덩어리의 조각에 흐르는 Off-전류에 기인하는 것으로 고려된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

그래핀이 갖고 있는 단점은?

이 같은 속성들로 인해 그래핀은 고속 전자소자나 고속 광학 기기, 에너지 발전, 저장기기, 하이브리드 재료, 화학 센서, DNA 분석 같은 광범위한 영역에 적용되기 위해 꾸준히 연구되고 있다. 하지만, 그래핀은 밴드 갭이 없기 때문에 상온에서 저전력을 소비하는 논리회로 제작에 사용되기는 적절하지 못하다. 이러한 단점은 최근 이차원 Transition Metal DiChalcogenides (TMDC) 물질을 통해 극복 가능성이 보여 많은 주목을 받고 있다.

TMDC 물질이란 무엇인가?

TMDC는 화학식으로 MX2인 물질군으로 M은 전이금속 4,5,6족이고 X는 칼코겐족 형태이다. 이와 같은 물질들은 한 개의 금속 원자층과 두 개의 칼코겐 원자층으로 구성되어 X-M-X형태의 단위 층을 기반으로 적층 구조를 이루고 있다.

그래핀이 갖고 있는 특이한 성질에는 어떠한 것들이 있는가?

흑연으로부터 기계적으로 박리된 그래핀의 확인 이후 그래핀의 특이한 전기적 성질들의 발견은 학계와 산업계에 많은 흥미를 일으켰다. 백색광에서 2.3% 흡수, 넓은 표면적, 큰 영률값, 훌륭한 열전도성과 같은 놀라운 성질들을 많이 가지고 있다. 이 같은 속성들로 인해 그래핀은 고속 전자소자나 고속 광학 기기, 에너지 발전, 저장기기, 하이브리드 재료, 화학 센서, DNA 분석 같은 광범위한 영역에 적용되기 위해 꾸준히 연구되고 있다.

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