[논문]이차원 전이금속 칼코겐화합물 기반 논리소자

최웅

이차원 전이금속 칼코겐화합물 기반 논리소자 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.17 no.3, 2016년, pp.26 - 31

최웅 (국민대학교 신소재공학부)

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문제 정의

9eV의 직접천이 띠틈을 갖게 된다[그림 2].^[5,6] 따라서, 본 논문에서는 이황화몰리브덴에 초점을 맞춰 전이금속 칼코겐화합물 기반의 디지털 논리소자 연구현황과 전망에 대해 소개하고자 한다.
전이금속 칼코겐화합물에 대한 연구는 최근 5년간 급속도로 확장되었으며, 본 논문에서 소개한 논리소자 응용 이외에도 유연소자, 광전소자, 에너지, 바이오 분야로의 응용 및 새로운 물질 특성과 물리 특성 등 기초 과학적인 측면에서도 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 MoS₂를 중심으로 현재 연구 중인 이차원 전이금속 칼코겐화합물 기반 논리소자의 연구현황 및 향후 전망에 대해서 간략히 알아보았으며, 그 내용을 요약 해보면 표 1과 같다. 이차원 전이금속 칼코겐화합물 기반 전자소자에 흥미를 갖는 근원적인 이유는 원자 규모의 두께를 갖는 반도체이기 때문이며, 이 분야의 지속적인 발전과 성장을 위해서는 균일한 대면적 성장, 도핑 조절, 금속 전극 특성 조절, 고유전상수(high-k) 게이트 유전체 등을 포함한 분야에서 새로운 도약이 필요하다.

성능/효과

이황화몰리브덴을 채널로 이용하는 트랜지스터는 높은 on/off-전류비(>10⁴)와 낮은 subthreshold swing (<80mV/dec)을 보이며, 이는 CMOS 디지털 회로에서 사용되는 전계효과 트랜지스터에서 요구되는 특성에 다가가고 있다[그림 3].^[4,7] 이황화몰리브덴의 이동도는 실리콘과 유사하게 상온에서 약 400cm²/Vs까지 가능할 것으로 이론적으로 예상되나,^[9] 실험적으로 관찰된 이동도는 수십 cm²/Vs에 그치고 있다.^[10,11] 흥미롭게도 다층 phosphorene은 286cm²/Vs의 이동도를 나타내며 약 1000cm²/Vs까지 증가하는 것으로 보고되었다.
그림 5에 MoS₂ 트랜지스터의 중요한 특성인 dynamic power indicator의 실험적인 결과와 이론적인 결과를 고성능 소자용 ITRS 기준(2012년)과 함께 나타내었다.^[7] 우선, 고유 지연시간 측면에서 MoS₂ 트랜지스터의 실험적인 결과는 1990년대 초의 CMOS 기술 수준으로 최근 CMOS 기술과는 매우 큰 격차를 보인다. MoS₂ 트랜지스터의 이론적인 결과는 ITRS 기준을 만족할 가능성이 높아 보이나, 전이금속 칼코겐화합물 소자의 채널 소형화에 대한 실험적인 결과는 아직까지 보고되지 않고 있다.
^[19] 그림 6은 여러 가지 물질을 이용한 터널 전계효과 트랜지스터에서 보고된 subthreshold swing 실험 결과를 보여주고 있으며, 다양한 물질에서 실리콘 MOSFET의 한계인 60mV/dec 보다 낮은 subthreshold swing을 나타내었다. 아직 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 터널 전계효과 트랜지스터의 실험 결과는 보고되지 않았으나, 그림 6에 나타낸 전이금속 칼코겐화합물의 이론적인 계산 결과는 전이금속 칼코겐화합물이 60mV/dec 이하의 subthreshold swing을 나타낼 가능성이 충분함을 보여준다.

후속연구

MoS₂ 트랜지스터의 이론적인 결과는 ITRS 기준을 만족할 가능성이 높아 보이나, 전이금속 칼코겐화합물 소자의 채널 소형화에 대한 실험적인 결과는 아직까지 보고되지 않고 있다. 따라서, 미래 기술을 위한 ITRS 기준을 만족하기 위해서는 게이트 길이의 소형화가 시급히 필요하며, 향후 이차원 물질에 기반한 소자 및 회로 연구의 중요한 주제가 될 것으로 예상된다.
이차원 전이금속 칼코겐화합물 기반 전자소자에 흥미를 갖는 근원적인 이유는 원자 규모의 두께를 갖는 반도체이기 때문이며, 이 분야의 지속적인 발전과 성장을 위해서는 균일한 대면적 성장, 도핑 조절, 금속 전극 특성 조절, 고유전상수(high-k) 게이트 유전체 등을 포함한 분야에서 새로운 도약이 필요하다. 물리학, 화학, 재료공학, 전기공학 등 다학제적 접근을 통해 이러한 문제를 극복한다면 전이금속 칼코겐화합물 기반 전자 소자는 기존의 전자산업 영역을 능가하는 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀이 트랜지스터로의 응용이 어려운 이유는?	탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 배열된 그래핀[그림 1]은 대표적인 이차원 물질로 놀라운 특성을 가져 매우 큰 관심을 받고 있으나,[1] 전기적으로 에너지 띠틈(bandgap)이 없는 준금속이므로 전자산업의 핵심 소자인 트랜지스터로의 응용이 매우 어려운 단점을 가진다. 따라서, 그래핀의 트랜지스터 응용을 위해 그래핀에 에너지 띠틈을 만들 수 있는 그래핀 나노리본이나 그래핀 겹층에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔으나, 약 0.
	그래핀 나노리본이나 그래핀 겹층의 문제점은?	탄소 원자들이 육각형의 벌집 모양으로 배열된 그래핀[그림 1]은 대표적인 이차원 물질로 놀라운 특성을 가져 매우 큰 관심을 받고 있으나,[1] 전기적으로 에너지 띠틈(bandgap)이 없는 준금속이므로 전자산업의 핵심 소자인 트랜지스터로의 응용이 매우 어려운 단점을 가진다. 따라서, 그래핀의 트랜지스터 응용을 위해 그래핀에 에너지 띠틈을 만들 수 있는 그래핀 나노리본이나 그래핀 겹층에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔으나, 약 0.4eV의 제한적인 띠틈만이 가능하며 띠틈이 형성되면 이동도가 급격히 감소하는 문제가 있어 실질적인 응용 에는 한계가 있는 상황이다[그림 1].[2]
	전이 금속 칼코겐화합물에 대한 연구는 어떤 분야에서 진행 중인가?	전이금속 칼코겐화합물에 대한 연구는 최근 5년간 급속도로 확장되었으며, 본 논문에서 소개한 논리소자 응용 이외에도 유연소자, 광전소자, 에너지, 바이오 분야로의 응용 및 새로운 물질 특성과 물리 특성 등 기초 과학적인 측면에서도 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 MoS2를 중심으로 현재 연구 중인 이차원 전이금속 칼코겐화합물 기반 논리소자의 연구현황 및 향후 전망에 대해서 간략히 알아보았으며, 그 내용을 요약 해보면 표 1과 같다.

참고문헌 (22)

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S. Das, H.-Y. Chen, A. V. Penumatcha and J. Appenzeller, Nano Lett. 13, 100 (2012).

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