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핫픽업 전사기술을 이용한 고성능 WSe2 기반 전계효과 트랜지스터의 제작
High-performance WSe2 field-effect transistors fabricated by hot pick-up transfer technique 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.21 no.3, 2020년, pp.107 - 112  

김현호 (금오공과대학교 신소재공학부)

초록
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원자층 두께의 전이금속 칼코겐화합물(transition-metal dichalcogenide, TMD) 기반 반도체 소재는 그래핀과 비슷한 구조의 이차원구조를 지니는 소재로서 조절 가능한 밴드갭 뿐만 아니라 우수한 유연성, 투명성 등 다양한 장점으로 인해 다양한 미래사회의 전자소자에 활용될 수 있는 소재로서 각광받고 있다. 하지만 이러한 TMD 소재들은 수분과 산소에 매우 취약하다는 단점 때문에 대기안정성을 해결할 수 있는 다양한 시도가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 핫픽업 전사기술을 이용하여 TMD 반도체 소재 중 하나인 WSe2 와 이차원 절연체 h-BN와의 수직 헤테로 구조를 제작하여 WSe2의 대기 안정성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였으며, h-BN/WSe2 구조를 활용하여 WSe2 기반 고성능 전계효과 트랜지스터 제작에 대한 연구를 수행하였다. 제작된 소자의 전기적 특성을 분석한 결과, h-BN에 의해 표면이 안정화된 WSe2 기반 소자는 대기안정성 뿐만 아니라 150 ㎠/Vs의 상온 정공 이동도, 3×106의 온/오프 전류비, 192 mV/decade의 서브문턱스윙 등 우수한 전기적 특성을 갖는다는 것 또한 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the atomically thin transition-metal dichalcogenide (TMD) semiconductors have attracted much attention owing to their remarkable properties such as tunable bandgap with high carrier mobility, flexibility, transparency, etc. However, because these TMD materials have a significant drawback t...

주제어

표/그림 (8)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 다음으로 WSe2 기반 FET 소자의 대기안정성을 확인하기 위해 대기 노출 시간에 따른 이동도를 관찰하였다. 비교군를 위해 h-BN으로 봉지시키지 않은 상부 접촉 WSe2와의 비교 측정을 수행하였으며, 이는 Fig.
  • 본 연구에서는 WSe2의 대기안정성 확보를 위하여 열적/화학적 안정성을 지닌 육방정붕화질소 (h-BN) 절연체와의 접합을 통해 h-BN/WSe2 수직 헤테로구조를 제작하였으며, h-BN과 WSe2와의 정교한 계면 형성을 위하여 핫픽업 전사 (hot pick-up transfer) 공정 [15]을 이용한 연구를 수행하였다. 더 나아가, 원자층 봉지막 h-BN을 절연층으로 사용함으로써 WSe2기반 상부게이트 하부접촉 전계효과 트랜지스터 (FET)를 제작할 수 있었으며, 대기 안정성뿐만 아니라 우수한 전기적 특성을 갖는 것을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 핫픽업 전사공정을 이용하여 이차원 TMD 반도체 물질인 WSe2와 절연층 h-BN의 고품질 수직 헤테로 구조를 제작하는 연구를 수행하였으며, 더 나아가 이를 응용하여 우수한 대기안정성을 갖는 고성능 WSe2 기반 FET 소자를 구현하였다. 이러한 소자제작 방법은 전자소자뿐만 아니라 차세대 광전자소자, 스핀소자 등 다양하게 응용이 가능할 것이라 여겨지며, 최근 활발히 연구되고 있는 대면적 고품질 TMD 물질 합성 연구와 함께 산업적으로 응용 가능한 기술로 발전될 것이라 예상된다.
  • 기반 FET 소자의 대기안정성을 확인하기 위해 대기 노출 시간에 따른 이동도를 관찰하였다. 비교군를 위해 h-BN으로 봉지시키지 않은 상부 접촉 WSe2와의 비교 측정을 수행하였으며, 이는 Fig. 8에 나타내었다. 측정 결과 h-BN/WSe2 수직 헤테로 구조를 갖고 있는 경우, 즉 WSe2의 표면이 화학적으로 안정한 h-BN에 의해 봉지되어 있을 때 상대적으로 매우 우수한 대기안정성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
  • 기반 상부게이트 하부접촉 FET를 제작하였다. 소스/드레인, 게이트 전극 모두 전자빔 리소그래피 공정 및 전자빔 증착기를 이용하여 제작하였으며, 소스/드레인의 경우 이차원 물질과의 원활한 접촉을 위해 얇은 두께의 Au(12 nm)/Ti(3 nm)를 증착하여 주었고, 게이트 전극 및 컨택용 패드의 경우 Au(45 nm)/Ti(5 nm)를 증착하여 주었다.
  • 이렇게 제작된 WSe2 기반 상부게이트 하부접촉 FET 소자의 전기적특성 분석을 수행하였다. FET 소자의 최종 구조는 Fig.
  • 1 ppm)에서 진행되었다. 이차원 h-BN/WSe2 수직 헤테로 구조 제작을 위해 원자층 두께의 이차원 h-BN 및 WSe2 단결정 (HQ Graphene)은 기계적 방법인 스카치 테이프 방법 [1]을 이용하여 SiO2(300 nm)/Si 기판 위에 박리시켰으며 10 nm 두께의 h-BN, 3 nm이하 두께의 WSe2를 광학현미경 및 원자력현미경을 이용하여 위치를 알아내고 두께를 측정하였다. 찾아낸 h-BN 및 WSe2 조각을 광학현미경에 위치시킨 뒤, Fig.
  • 이 때, 유리전이온도 (147 ℃) 이상 가열된 PC가 Si기판 위에 밀착하여 접촉되면 PC와 PDMS사이 접착력이 상대적으로 약해지기 때문에 PDMS를 쉽게 제거할 수 있게 된다. 전사가 마무리된 후 chloroform 용매를 사용하여 PC를 제거시켜 주었다. 그 후, 전자빔 리소그래피 공정을 이용하여 상부게이트 전극 및 컨택용 패드를 동시에 증착해 줌으로써 FET 소자를 완성하였다.
  • 이차원 h-BN/WSe2 수직 헤테로 구조 제작을 위해 원자층 두께의 이차원 h-BN 및 WSe2 단결정 (HQ Graphene)은 기계적 방법인 스카치 테이프 방법 [1]을 이용하여 SiO2(300 nm)/Si 기판 위에 박리시켰으며 10 nm 두께의 h-BN, 3 nm이하 두께의 WSe2를 광학현미경 및 원자력현미경을 이용하여 위치를 알아내고 두께를 측정하였다. 찾아낸 h-BN 및 WSe2 조각을 광학현미경에 위치시킨 뒤, Fig. 2와 같이 실리콘 기판 위 존재하는 h-BN을 PC/PDMS를 이용하여 픽업해주고 h-BN/PC/PDMS를 이용하여 WSe2 조각을 픽업해 주었다. 이차원소재의 픽업공정은 ‘결과 및 고찰’ 부분에서 자세히 다루고자 한다.
  • 한편 온도에 따른 정공이동도 곡선을 통하여 정공 수송에 대한 산란 메커니즘을 분석할 수 있었다. Fig.
  • 핫픽업과정을 통한 소자의 제작과정을 광학 현미경을 통하여 분석하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig.

대상 데이터

  • 본 연구에서는 WSe2 기반 상부게이트 하부접촉 FET를 제작하였다. 소스/드레인, 게이트 전극 모두 전자빔 리소그래피 공정 및 전자빔 증착기를 이용하여 제작하였으며, 소스/드레인의 경우 이차원 물질과의 원활한 접촉을 위해 얇은 두께의 Au(12 nm)/Ti(3 nm)를 증착하여 주었고, 게이트 전극 및 컨택용 패드의 경우 Au(45 nm)/Ti(5 nm)를 증착하여 주었다.
  • 본 연구에서의 원자층 두께의 h-BN/WSe2 수직 헤테로 구조 제작은 Fig. 2에서 보인 순서와 같이 진행되었다. 첫번째 단계로 Fig.
  • 위의 실험결과에서 나아가 핫픽업 전사공정을 통해 제작된 h-BN/WSe2 수직 헤테로구조를 이용 하여 FET 소자를 제작하였다.
  • 의 산화방지막 역할 뿐만 아니라 게이트 절연층의 소재로도 사용될 수 있었다. 이러한 사실을 기반으로 10 nm 두께의 h-BN을 절연체로 활용한 상부게이트 하부접촉 WSe2 FET 소자를 제작할 수 있었으며, FET 소자 제작을 위해 Fig. 4c의 단계에서 전자빔 리소그래피 패터닝 공정을 통하여 Au(45 nm)/Ti(5 nm)의 게이트 전극 및 소스/드레인 컨택용 패드를 동시에 증착하여 주었다. 그리고 패터닝 공정 후 전극 증착 전 샘플의 광학현미경 사진을 Fig.
  • 제작 공정 중 이차원 소재의 변질을 방지하기 위해 픽업 및 전사 공정은 질소가 충전된 글러브 박스 (H2O, O2 < 0.1 ppm)에서 진행되었다.
  • 핫픽업 전사공정을 위해 1 μm 두께의 poly (bisphenol A carbonate) (PC)가 사용되었다.

이론/모형

  • 제작된 FET 소자의 전기적 특성 분석을 위하여 Keithley 2450 소스미터를 사용하였으며, 온도에 따른 전기적 특성 분석을 위하여 closed-cycle Montana cryostat system을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
그래핀이 가진 전기적, 기계적, 광학적 특성은 어떤 것에 기인한 것인가? 원자 한층으로 이루어진 그래핀이 2004년 실험적으로 발견된 이후 [1], 연구자들은 지난 16년간 기존 3차원 물질들 내에서 관찰하지 못한 뛰어난 전기적 [2], 기계적 [3], 광학적 [4] 특성들을 발견해왔으며, 이는 그래핀이 갖는 디랙 콘(Dirac Cone)이라 불리는 독특한 전자구조 [5]로부터 기인된다는 사실을 밝혀내었다. 선형적인 에너지-모멘텀 분산관계를 갖는 이 전자구조 안에서 그래핀 내 전자는 질량이 없는 디락입자 (massless Dirac fermion)처럼 행동하기 때문에 매우 높은 전하이동도를 갖는 등 전기적 특성 면에서 유리한 장점을 갖지만, 밴드갭이 없는 준금속 (semimetal) 특성을 지닌 그래핀을 스위칭 소자와 같은 반도체 기반 전자산업에 적용하기 어렵다는 한계점을 지니고 있다.
그래핀이 높은 전하이동도를 갖지는 이유는? 원자 한층으로 이루어진 그래핀이 2004년 실험적으로 발견된 이후 [1], 연구자들은 지난 16년간 기존 3차원 물질들 내에서 관찰하지 못한 뛰어난 전기적 [2], 기계적 [3], 광학적 [4] 특성들을 발견해왔으며, 이는 그래핀이 갖는 디랙 콘(Dirac Cone)이라 불리는 독특한 전자구조 [5]로부터 기인된다는 사실을 밝혀내었다. 선형적인 에너지-모멘텀 분산관계를 갖는 이 전자구조 안에서 그래핀 내 전자는 질량이 없는 디락입자 (massless Dirac fermion)처럼 행동하기 때문에 매우 높은 전하이동도를 갖는 등 전기적 특성 면에서 유리한 장점을 갖지만, 밴드갭이 없는 준금속 (semimetal) 특성을 지닌 그래핀을 스위칭 소자와 같은 반도체 기반 전자산업에 적용하기 어렵다는 한계점을 지니고 있다. 이에 따라 두 층 그래핀 도핑에 관한 연구[6]와 그래핀 나노리본 합성 연구[7] 등 그래핀의 밴드갭 형성을 위한 다양한 시도들이 이루어져왔으나 이러한 방법들은 그래핀의 우수한 특성을 저하시키는 문제가 있었다.
TMD 기반 반도체 소재의 단점은? 이 중 TMD 기반 반도체 소재는 MoS2를 시작으로 다양한 소재들이 개발됨에 따라 높은 전하이동도 뿐만 아니라 조절 가능한 밴드갭, 우수한 유연성 및 투명성 등을 지닌 소재로서 차세대 전자공학 및 광전자공학 분야의 반도체 소재로서 주목 받고 있다. 하지만 이러한 우수한 특성을 지닌 흥미로운 소재임에도 불구하고, 대부분의 TMD 소재들은 대기 중의 산소 및 수분에 의해 쉽게 산화되는 특성 때문에 대기안정성에 취약하다는 치명적인 단점을 갖고 있기 때문에 [14] 산업적으로의 응용에 걸림돌이 되고 있다.
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참고문헌 (22)

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  16. R. D. Schulman, M. Trejo, T. Salez, E. Raphael, K. Dalnoki-Veress, Nat. Commun., 9, 982 (2018). 

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