초록 ▼

□ 연구개요
이 연구의 목표는 전이금속칼코겐과 실리콘 기반 CMOS 집적 회로의 반데르발스 접합에 의한 차세대 광전소자 구현이다. 발광/흡광 및 전기적 특성이 좋고, 원자 단위의 두께 및 조성이 조절이 가능하고, 표면이 화학적으로 비활성인, 전이금속 칼코겐 물질 (transition metal dichalcogenide, TMDC)을 실리콘 또는 실리콘/산화막에 반데르발스 결합력을 이용해 접합하는 방법을 이용하고자 한다. 최종적으로는 실리콘 CMOS 집적 회로에서 발생한 전기적 신호가 전이금속칼코겐 박막을 통해 광신호로 전환

□ 연구개요
이 연구의 목표는 전이금속칼코겐과 실리콘 기반 CMOS 집적 회로의 반데르발스 접합에 의한 차세대 광전소자 구현이다. 발광/흡광 및 전기적 특성이 좋고, 원자 단위의 두께 및 조성이 조절이 가능하고, 표면이 화학적으로 비활성인, 전이금속 칼코겐 물질 (transition metal dichalcogenide, TMDC)을 실리콘 또는 실리콘/산화막에 반데르발스 결합력을 이용해 접합하는 방법을 이용하고자 한다. 최종적으로는 실리콘 CMOS 집적 회로에서 발생한 전기적 신호가 전이금속칼코겐 박막을 통해 광신호로 전환 되고, 또는 광신호로부터 전이금속칼코겐 박막을 통해 전기적 신호로 전환 되어 CMOS 집적 회로에 전달이 되는 신개념 광전소자 구현 및 관련 원천 기술 개발을 목표로 한다. 이를 위해 전이금속칼코겐 박막의 대면적 성장 기술 개발 및 향상, 전이금속칼코겐 물질의 혼합물/도핑, 수직/수평 이종 구조, 패터닝 등 반도체 공정 기술 개발, 직성장 또는 전사 기술을 이용한 실리콘/절연체/전이금속칼코겐 접합 기술 개발 및 접합된 전이금속칼코겐과 실리콘을 기반으로 대면적 집적 광소자 구현을 목표로 설정하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
전이금속칼코겐 박막의 대면적 성장 기술 개발 및 향상을 위해 4인치 MOCVD를 이용하여 단일층으로 균일한 대면적 MoS₂ 박막의 합성 조건을 확보하였고 새로운 알칼리 금속 전구체인 Sodium tert-butoxide와 Sodium propionate를 가스 형태로 주입하여 전이금속칼코겐의 핵생성 및 두께 조절을 이루어냈다. 전이금속칼코겐 물질의 반도체 공정 기술 개발을 위해서 HoO_X를 이용한 patterned growth를 진행하였다. MOCVD로 성장한 전이금속칼코겐 물질은 물에서 박리되기 때문에 포토리쏘그래피 공정을 이용하기 어려운데 소수성인 HoO_X를 이용해 물의 침투를 방지하였다. HoO_X에 의해 물에 의한 전이금속칼코겐 물질의 박리 현상이 억제되므로 전이금속칼코겐/HoO_X/실리콘 구조를 활용하면 FET 소자 제작이 가능하다. 또한 MOCVD를 통해 성장시킨 MoS₂ 박막에 Oxygen plasma 처리를 하여 patterned growth를 진행하였다. Oxygen plasma가 처리된 영역이 그렇지 않은 영역보다 친수성을 띄게 되어 reactive 해지는 것을 이용하여 MoS₂를 선택적으로 성장시킬 수 있었다. 기판의 표면 에너지 차이에 의해 극단적인 선택 성장이 이루어져 성장과 동시에 패터닝을 구현하였다. 직성장 또는 전사 기술을 이용한 실리콘/절연체/전이금속칼코겐 접합 원천 기술 개발 및 접합된 전이금속칼코겐과 실리콘을 기반 대면적 집적 광소자 구현을 위한 소자를 제작하였다. 직성장 Bi₂O₂Se 기반 NIR 이미지 센서, 전사를 통해 MoS₂/InGaAs 기반 NIR/Visible 이미지 센서 구현해 전이금속칼코겐 박막의 접합 및 광소자로 활용 가능성을 보였다.

□ 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
고품질 2차원 반데르발스 물질의 성장 및 분석을 위해 MOCVD 장비, 라만 분석 장치, 진공스텍 장치 등을 셋업하였다. 이 장비들을 이용하여 핵생성 및 성장 조절을 통한 단일층으로 균일한 전이금속칼코겐 박막 성장, 전이금속칼코겐의 조성 및 두께 조절, Bi₂O₂Se 등의 새로운 재료의 레시피 개발을 수행했다. 성장한 2차원 반데르발스 물질의 광특성을 측정하고, 더 나아가 이종접합을 통한 직접 광소자/이미지 센서를 구현했다. 이 결과들을 바탕으로 2차원 반데르발스 물질 및 층상 구조를 기반으로 한 차세대 이미지 센서에 응용이 가능할 것으로 기대된다. 모바일 헬스케어, 무인자동차 센서, 사물인터넷용 센서 등의 어플리케이션 구현에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 2차원 반도체 성장 및 광센서 연구를 전 세계적으로 선도할 수 있는 위치에 도달했으며 응용 가능성을 타진하였다. 특히 Bi₂O₂Se MOCVD 성장법 개발 및 적외선 센서 세계 최초 구현 연구결과는 관련 물성이 우수하여 후속 연구가 기대된다. 3년 연구기간 동안 구축한 2차원 반도체 성장장치와 이를 기반으로 연구 수행을 했던 지적 재산을 활용하여 2차원 반도체 및 광센서 기초 및 응용 연구를 수행을 계획하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 1) 2차원 반데르발스 물질 및 층상구조 물질 성장 ... 5
• 2) 2차원 반데르발스 물질 광특성 관찰 ... 7
• 3) 2차원 반데르발스 물질 이종접합 집적 광소자/이미지 센서 구현 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 9
• 1) 정성적 연구개발성과 (연구개발결과) ... 9
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 (연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 참고문헌 ... 13
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 22
• 끝페이지 ... 35