[논문]2차원 반도체 반데르발스 이종구조 기반의 전자소자 및 광전자소자

이동훈; 이철호

2차원 반도체 반데르발스 이종구조 기반의 전자소자 및 광전자소자 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.20 no.3, 2017년, pp.115 - 124

이동훈 (고려대학교 KU-KIST 융합대학원) , 이철호 (고려대학교 KU-KIST 융합대학원)

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문제 정의

⁴⁾ 기존 벌크 물질을 이용하여 구현된 여러 복합구조를 2차원 물질로 구현하게 되면 벌크 물질에서 볼 수 없었던 새로운 과학적 현상을 관찰할 수 있으며 기존기술로 구현하기 힘들었던 구조도 2차원 물질을 이용하면 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있다. 본 보고에서는 수 원자 층 두께를 가지는 2차원 물질 기반의 반데르발스 이종구조 제작 및 반도체 소자로의 응용에 관해 중점적으로 논의하고자 한다. (Fig.
지금까지 2차원 반도체 물질의 성질 및 이들의 반데르발스 이종구조를 이용한 다양한 전자 및 광전자소자 응용에 대해 살펴보았다. 2차원 물질의 고유한 성질로 인하여 기존의 3차원 벌크 물질로는 구현하기 어려운 독특한 이종접합 구조 및 새로운 특성을 나타내는 소자를 2차원 물질을 조립하여 손쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있다.

가설 설정

또 다른 연구진들은 MoS₂를 채널로, 그래핀을 플로팅 게이트로, h-BN을 터널 장벽으로 사용하는 메모리 장치를 개발하였다.²⁴⁾ 이 구조에서는 드레인 전극과 그래핀 사이의 h-BN은 전하가 터널링을 통해 이동할 수 있지만 그래핀에서 소스 전극으로는 전위차가 작아서 전하가 h-BN을 통과할 수 없다. 이를 통해 플로팅 그래핀에 전하가 터널링을 통해 효율적으로 저장되어 10^-14 A의 낮은 off 상태 전류와 10⁹의 높은 on-off ratio를 나타낸다.

대상 데이터

4)¹⁷⁾ 또한, 2012년 영국 맨체스터 대학에서는 2차원 물질이 원자층 수준으로 매우 얇게 존재할 수 있다는 점을 이용하여 2차원 절연체 물질을 터널링막으로 사용하여 그래핀의 낮은 on-off ratio를 증가시키는 연구를 보고하였다. (Fig. 5)¹⁸⁾ 상단 및 하단 그래핀 층 사이에 h-BN 또는 MoS₂와 같은 1nm 수준의 얇은 터널 장벽으로 구성된 반데르발스 이종구조를 제작하였다. 이러한 구조의 소자는 터널링장벽의 물질 종류에 따라 50에서 10,000까지의 높은 on-off ratio를 나타낸다.
^21,22) 성균관대학교와 컬럼비아대학교 합동 연구진들은 2차원 물질 기반의 반데르발스 이종구조를 이용한 두 가지 유형의 메모리 소자를 보고하였다. (Fig. 6)²³⁾ 첫 번째 구조의 소자는 채널로 그래핀, 터널 장벽으로 h-BN, 전하 트래핑 층으로 MoS₂를 이용하였다. 그래핀은 큰 게이트 이력곡선(~20 V)을 보여 주지만, 밴드갭이 없어 매우 낮은 on-off ratio(~2)가 나타났다.

성능/효과

²⁾ 더 나아가 최근에는 밴드갭이 수 meV에서 수 eV까지 다양한 2차원 물질이 실험적으로 발견되고 있다.³⁾ 이론적으로는 6백개 이상의 안정적인 2차원 물질이 자연계에 존재할 수 있다는 것이 밝혀졌다.⁴⁾ 기존 벌크 물질을 이용하여 구현된 여러 복합구조를 2차원 물질로 구현하게 되면 벌크 물질에서 볼 수 없었던 새로운 과학적 현상을 관찰할 수 있으며 기존기술로 구현하기 힘들었던 구조도 2차원 물질을 이용하면 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있다.
³⁾ 이론적으로는 6백개 이상의 안정적인 2차원 물질이 자연계에 존재할 수 있다는 것이 밝혀졌다.⁴⁾ 기존 벌크 물질을 이용하여 구현된 여러 복합구조를 2차원 물질로 구현하게 되면 벌크 물질에서 볼 수 없었던 새로운 과학적 현상을 관찰할 수 있으며 기존기술로 구현하기 힘들었던 구조도 2차원 물질을 이용하면 손쉽게 구현할 수 있다는 장점이 있다. 본 보고에서는 수 원자 층 두께를 가지는 2차원 물질 기반의 반데르발스 이종구조 제작 및 반도체 소자로의 응용에 관해 중점적으로 논의하고자 한다.
8)²⁹⁾ 특히, h-BN 장벽과 TMDC 우물로 구성된 양자 우물(quantum well)을 도입하여 소자에서 효과적인 전하 구속 및 효율적인 발광을 가능하게 했다. 극저온(6K)에서 측정 된 외부양자효율(소자에 주입 된 전하 수와 방출 된 광자 수의 비율)은 단층, 3층 및 4층 양자 우물로 구성된 구조에서 각각 1 %, 6 % 및 8.4 %로 나타났다. 최근에 동일한 연구 그룹에서 단일 층 WSe₂ 기반의 발광 소자에서 외부양자 효율이 상온에서도 5 %까지 됨을 보고하였다.
넷째, 매우 다양한 물질 군이 존재하여 근적외선, 가시광선, 자외선 영역에서 동작하는 광전자 소자를 설계하고 제작하기에 용이하다.
첫째, 서로 다른 격자상수, 결정구조를 가지고 있는 물질로 이종구조를 만들 시에도 층과 층 사이에 strain이 발생하지 않아 원자층 수준에서 어떠한 결함도 없는 매우 깨끗한 계면을 가질 수 있게 된다. 둘째, 이종구조를 이루는 물질간의 결정방위에 따라 물리적, 광학적 특성이 달라지기 때문에 결정방위를 조절함에 따라 새로운 특성을 구현할 수 있다. 셋째, 층과 층 사이에 공유겹합이 없어 이종구조 형태에서도 매우 유연한 특성을 가지게 된다.
이러한 현상으로 수직형 이종구조의 넓은 접합 면에 걸쳐 효율적인 광전류를 생성 시킬 수 있다. 또한, 두꺼운 WS2로 만든 구조에서 0.1 AW^-1의 광 반응성과 30 %의 외부양자효율(external quantum efficiency)을 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 단층의 MoS₂ 소자가 다층의 MoS₂ 소자보다 높은 광 반응성을 보여 준다.
둘째, 이종구조를 이루는 물질간의 결정방위에 따라 물리적, 광학적 특성이 달라지기 때문에 결정방위를 조절함에 따라 새로운 특성을 구현할 수 있다. 셋째, 층과 층 사이에 공유겹합이 없어 이종구조 형태에서도 매우 유연한 특성을 가지게 된다. 넷째, 매우 다양한 물질 군이 존재하여 근적외선, 가시광선, 자외선 영역에서 동작하는 광전자 소자를 설계하고 제작하기에 용이하다.
이들 구조는 다음과 같은 다양한 특징을 가질 수 있다. 첫째, 서로 다른 격자상수, 결정구조를 가지고 있는 물질로 이종구조를 만들 시에도 층과 층 사이에 strain이 발생하지 않아 원자층 수준에서 어떠한 결함도 없는 매우 깨끗한 계면을 가질 수 있게 된다. 둘째, 이종구조를 이루는 물질간의 결정방위에 따라 물리적, 광학적 특성이 달라지기 때문에 결정방위를 조절함에 따라 새로운 특성을 구현할 수 있다.

후속연구

하지만, 향후 대면적 소재 합성, 전사 및 이종구조 제조 기술과 도핑 및 밴드갭과 같은 물성 조절 기술의 개발이 병행된다면, 고성능, 저전력의 차세대 반도체 소자에 2차원 물질을 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 2차원 물질이 가지는 기계적 유연성, 광학적 투명성을 이용하면 웨어러블 전자기기, 스마트 유리(또는 윈도우)와 같은 새로운 분야에도 적용될 수 있을 것이다.
이는 TMDC와 전극간의 접촉 저항 및 불순물 산란에 의해 전하의 이동이 방해 받기 때문이다. 미래 전자소자에서 2차원 물질이 기존의 벌크 반도체 물질을 대체하기 위해서는 소재 자체의 품질 및 금속과의 접촉저항 등을 개선하는 연구들이 선행되어야 할 것이다.
아직까지는 2차원 물질에 대한 연구가 걸음마 단계이기 때문에 기초연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 향후 대면적 소재 합성, 전사 및 이종구조 제조 기술과 도핑 및 밴드갭과 같은 물성 조절 기술의 개발이 병행된다면, 고성능, 저전력의 차세대 반도체 소자에 2차원 물질을 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 2차원 물질이 가지는 기계적 유연성, 광학적 투명성을 이용하면 웨어러블 전자기기, 스마트 유리(또는 윈도우)와 같은 새로운 분야에도 적용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀을 처음 발견한 방법은 무엇인가?	이러한 결합 특성으로 인해 층간의 분리가 용이하여 면적은 수 μm2 에서부터 수 mm2 이상까지 크고 두께는 원자수준의 얇은 물질로 존재할 수 있다. 2004년에 테이프를 이용한 기계적 박리법(mechanical exfoliation)으로 영국 맨체스터대학에서 처음으로 대표적인 2차원 물질인 그래핀(graphene)을 발견한 이래로 세계 우수 연구진들에 의해 그래핀의 차세대 전자소자로의 응용가능성에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔다.1)
	2차원 물질의 결합 특성으로 인한 결과는?	2차원 물질은 평면 방향으로는 강한 공유결합(covalent bond)으로 이루어져 있으며 수직 방향으로는 약한 반데르발스(van der Waals)결합으로 이루어져 있는 층상 구조를 공통적으로 가지고 있다. 이러한 결합 특성으로 인해 층간의 분리가 용이하여 면적은 수 μm2 에서부터 수 mm2 이상까지 크고 두께는 원자수준의 얇은 물질로 존재할 수 있다. 2004년에 테이프를 이용한 기계적 박리법(mechanical exfoliation)으로 영국 맨체스터대학에서 처음으로 대표적인 2차원 물질인 그래핀(graphene)을 발견한 이래로 세계 우수 연구진들에 의해 그래핀의 차세대 전자소자로의 응용가능성에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔다.
	반데르발스 이종구조 제작을 위해 가장 많이 사용되는 방법은 무엇인가?	반데르발스 이종구조 제작을 위해 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 방법은 습식전사(wet-transfer)법이다. (Fig.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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