[논문]반데르발스 2차원 반도체소자의 응용과 이슈

임성일

doi:10.5757/vacmac.5.2.18

반데르발스 2차원 반도체소자의 응용과 이슈
Trend and Issues of van der Waals 2D Semiconductor Devices 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.5 no.2, 2018년, pp.18 - 22

임성일 (반데르발스 물질연구센터)

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wo dimensional (2D) van der Waals (vdW) nanosheet semiconductors have recently attracted much attention from researchers because of their potentials as active device materials toward future nano-electronics and -optoelectronics. This review mainly focuses on the features and applications of state-of-the-art vdW 2D material devices which use transition metal dichalcogenides, graphene, hexagonal boron nitride (h-BN), and black phosphorous: field effect transistors (FETs), complementary metal oxide semiconductor (CMOS) inverters, Schottky diode, and PN diode. In a closing remark, important remaining issues of 2D vdW devices are also introduced as requests for future electronics and photonics applications.

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문제 정의

따라서 다음에서는 반데르발스 물질을 적용한 전자소자와 광소자, 그리고 신개념의 전자/광소자들에 대하여 살펴보기로 하겠다. 그리고 소자제작에서의 미해결 이슈들에 대하여서도 살펴보고자 한다.
이와 같은 각종 반데르발스 2차원 물질을 적용한 소자들을 살펴본다면 크게는 전자소자와 광소자로 대 별할 수 있을 것이다. 따라서 다음에서는 반데르발스 물질을 적용한 전자소자와 광소자, 그리고 신개념의 전자/광소자들에 대하여 살펴보기로 하겠다. 그리고 소자제작에서의 미해결 이슈들에 대하여서도 살펴보고자 한다.

가설 설정

첫째, FET소자들의 접촉저항 문제이다. 소스 드레인접촉저항은 그래핀을 사용하지 않는 이상 상당히 큰 값을 보여주고 있어 스위칭 소자의 RC delay에 영향을 준다.

제안 방법

또한 MESFET 구조와 비슷한 Junction 트랜지스터(JFET) 또한 시도되었다. P형 반도체인 흑린 나노막과 N형 산화아연 나노선의 반데르발스 계면접합으로 한 기판에 PN 다이오드 겸용의 JFET을 제작하여 흑린 나노막의 활용범위를 넓히고, 이종접합 흑린/ZnO PN 다이오드, 흑린 게이트 용 JFET 각각의 소자에 대한 전기적 특성에 대하여 알아보았다. 또한 간단한 회로를 꾸며 PN 다이오드의 정류작용을 확인하였고, 또 흑린/산화아연 나노선 JFET에 저항을 연결하여 인버터 소자를 구현하고 소자의 정적/동적 거동을 연구하였다.
P형 반도체인 흑린 나노막과 N형 산화아연 나노선의 반데르발스 계면접합으로 한 기판에 PN 다이오드 겸용의 JFET을 제작하여 흑린 나노막의 활용범위를 넓히고, 이종접합 흑린/ZnO PN 다이오드, 흑린 게이트 용 JFET 각각의 소자에 대한 전기적 특성에 대하여 알아보았다. 또한 간단한 회로를 꾸며 PN 다이오드의 정류작용을 확인하였고, 또 흑린/산화아연 나노선 JFET에 저항을 연결하여 인버터 소자를 구현하고 소자의 정적/동적 거동을 연구하였다.[13] 그림4는 JFET 소자의 모식도와 개략적 특성 및 흑린/나노선 계면에 대한 투과전자 현미경 결과를 보여준다.
본 연구실에서는 이러한 이슈들을 해결하는 방향의 연구와 더불어 각종 소자연구를 수행하고 있어, 그 결과로 흑린을 이용한 이중게이트 트랜지스터 및 논리회로[5], 불소중합체 표면층을 이용한 표면 홀 도핑된 WSe2 트랜지스터[6], p-MoTe₂, n-MoS₂를 이용한 CMOS 인버터 소자[6] 및 이종접합 PN 다이오드[7], 선택적 ALD 도핑법을 이용한 동종 2차원 MoTe₂ PN 다이오드 및 CMOS[8] 인버터 구현의 연구들을 발표해왔다. 또한 앞서 다가올 미래를 대비하는 응용소자의 방향을 제시하여 4차 산업혁명과 IoT (Internet of things) 시대에 걸맞은 소자에 사용될 수 있는 2차원 소자기술을 현재의 기술적 이슈와 함께 리뷰논문을 통해 논의 하였다. 그림 2는 리뷰논문에 소개된 여러가지의 응용 소자들을 보여주고 있다.
기존의 2차원 전계효과 트랜지스터인 유전체 적용 FET (MISFET) 소자는 불안정한 절연층 계면 및 동작 전압, 큰 이력현상 및 음의 문턱전압 등의 문제들을 가지고 있어서 다양한 응용소자로 활용되기에는 좋지 않은 여러 가지 요소들을 가지고 있다. 이를 해결하기 위한 한가지 방편으로 기존MISFET 구조가 아닌 금속산화물 전도체 NiOx와 MoS2 쇼트키 접합 특성을 이용하는 Metal Semiconductor Field Effect Transistor (MESFET)가 시도되었고 마침내 구현되었다. 그림3은 소자의 모식도와 특성을 보여준다.

성능/효과

셋째로, 현재까지 보고 된 P채널이나 N채널 MISFET소자들은 대체로 FET의 문턱전압이 너무 크고 문턱전압이 소자제작시 같은 값을 보여주지 못하여 재현성이 없다는 점을 들 수 있다. 이 문제는 게이트 절연막과 2차원 반도체 채널계면에 존재하는 charge trap에 의한 것으로 아직도 계면 트랩 극소화 연구가 진행중이다.
이러한 효과로 MESFET 소자는 이동도가 약 500-1200 cm2/Vs, 점멸비는 106 정도로 고성능소자특성을 보였고 1 V 정도의 낮은 구동 전압 및 –1~2V의 낮은 문턱전압을 보여주었다.

후속연구

이와 같은 각종 반데르발스 2차원 물질을 적용한 소자들을 살펴본다면 크게는 전자소자와 광소자로 대 별할 수 있을 것이다. 따라서 다음에서는 반데르발스 물질을 적용한 전자소자와 광소자, 그리고 신개념의 전자/광소자들에 대하여 살펴보기로 하겠다.
이외에도 본 연구실에서는 터널링 FET 및 2차원 BJT, 2차원 적층 FET등의 신개념 소자들을 연구하고 있으며이같은 연구들은 물리학적으로 또한 응용 학문적으로 실제적이면서도 깊은 고찰을 요할 것으로 사료된다. 예를들어 그림5는 흑린 나노막을 적용한 신개념 양자소자의 개념도로써 전계효과에 반응하는 에너지갭 변화현상을 이용하는 밴드갭 양자소자가 될 전망이나 아직은 구현되지 않았다.
또한 국내에서도 선도연구센터 (SRC)인 반데르발스 물질연구센터 (vdWMRC) 를 중심으로 방향성 있는 소자 및 물질연구가 진행되고 있다. 학자들의 관심 주제들은, 기존 반데르발스 반도체 소자의 문제점 해결, 2차원 PN 접합등 여러 가지 각종 이종접합 반데르발스 계면 에서 관찰되는 현상 연구, 실제 소자적용 응용물리학 전개, 터널링을 비롯한 양자물리 현상연구, 각종 2차원 양자소자 구현 및 1차원 2차원 3차원의 복합차원 소자 구현등 신개념 2차원 반데르발스 반도체 소자 연구등으로 나열되며 앞으로 적어도 10년 이상은이와 같은 연구들이 산업계에 적용될 것을 목표로 진행될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2차원 나노물질들은 어떻게 이루어져있나?	반데르발스 접합으로 이루어진 2차원 나노물질들은 전기 및 광학적으로 다양한 물리적인 현상과 더불어 신소자 활성층으로의 잠재력을 가지고 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 최신 경향을 반영한 2차원 반도체 물질인 MoS2, WSe2, MoTe2, 흑린 등을 통해 다양한 물질 특성이 이미 발표되었으며 대표적인 전자소자로는 metal insulator semiconductor field effect transistor(MISFET)의 발표가 가장 주류를 이루고 있으며, 강유전비활성 메모리 MISFET, 쇼트키 다이오드, PN 다이오드, CMOS 인버터, 태양광 나노전지 등의 응용소자들도 발표되어왔다.
	첨가원소에 의한 PN doping이 정량적으로 가능하면 무엇을 제작하는데 용이한가?	둘째, PN doping의 문제가 있다. 2차원 반도체들은 물론 게이트 전압에 의하여 P에서 N형으로 채널 type이 변화받을 수 있지만, 첨가원소에 의한 PN doping이 정량적으로 가능하여야 PN 다이오드 등의 전자소자와 광전자소자 제작이 용이하다. 이러한 이슈 역시 연구가 계속되고 있다.
	2차원 반데르발스 반도체 연구가 중요한 연구인 이유는?	2차원 반데르발스 반도체 연구는 2차원 원자층에서만 존재하는 심오하고 복잡한 물리현상의 연구뿐만 아니라 전자소자와 재료공학의 입장에서라도 매우 중요한 연구이다. 왜냐하면 그간의 전통적인 반도체의 특성에 버금가는 혹은 압도할 수 있는 새로운 물리적 특성을 보여주기 때문이며 소자제작의 측면에서도 새롭기 때문이다. 즉, 기존의 대표적인 반도체인 Si, GaAs, 외의 epitaxial 화합물 반도체와는 달리 한 개의 원자층으로도 반도체의 특성을 나타내며 표면은 dangling bond를 갖지 않아서 2차원 원자층 한 개로도 고성능 전자소자를 제작할 수 있다.

참고문헌 (14)

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P. J. Jeon et al. Nano Lett. 16, 1293 (2016).

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K. S. Kim et al. Science 349, 6249 (2015).

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