초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
원자층 반도체는 이론적으로는 전자소자로의 무한한 잠재력을 가지고 있지만, 아직 상용화에 이르지 못함. 이에 본 연구에서는 원자층 반도체를 이용한 원천기술 확보 및 상용화를 위해, 1) 층간 도판트 주입을 통해 매우 높은 수준의 도핑 농도를 확보하는 기술을 개발하고, 2) 이를 반도체와 금속층 사이에 삽입하여 접촉저항을 이론적 한계까지 낮추며, 3) 고온 전사 혹은 후속 초고진공 열처리 공정을 통해 매우 깨끗한 계면을 가지는 이종접합구조를 형성하며, 4) 게이트 금속/원자층 절연체를 마

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
원자층 반도체는 이론적으로는 전자소자로의 무한한 잠재력을 가지고 있지만, 아직 상용화에 이르지 못함. 이에 본 연구에서는 원자층 반도체를 이용한 원천기술 확보 및 상용화를 위해, 1) 층간 도판트 주입을 통해 매우 높은 수준의 도핑 농도를 확보하는 기술을 개발하고, 2) 이를 반도체와 금속층 사이에 삽입하여 접촉저항을 이론적 한계까지 낮추며, 3) 고온 전사 혹은 후속 초고진공 열처리 공정을 통해 매우 깨끗한 계면을 가지는 이종접합구조를 형성하며, 4) 게이트 금속/원자층 절연체를 마스크로 사용하여 기존 기술보다 정밀한 영역으로 도핑을 제어함으로써, 5) 원자층 반도체 기반 저전력, 급경사 스위칭 터널링 트랜지스터를 제작하는 기술을 개발하고자 함.

○ 전체 내용
기존 MOSFET 기반의 반도체소자의 경우, 공정 기술의 향상 및 구조변화를 통해 소자의 크기를 나노미터 수준으로 줄일 수 있었으며, 이를 통해 집적도 및 소형화를 달성하고 있지만, 소자의 크기가 작아짐에 따라 에너지의 소모량이 커지는 문제점이 발생하고 있음. 결과적으로 소자에 발생하는 열이 증가하게 되고 소자의 수명 및 성능이 저하됨. 이에 소자의 소형화와 함께 성능은 향상하면서 열 발생은 줄이는 방안에 관한 요구가 늘어나고 있으며 이를 위해서는 급경사 스위칭이 가능한 소자의 개발이 필수적임. 기존 MOSFET의 경우 볼츠만 꼬리에 의한 전류에 의해 상온에서 Subthreshold Swing (SS) 을 60 mV/dec 이하로 낮출 수 없다는 근본적인 한계가 있음. 이를 극복하기 위해, 밴드 간 터널링 현상을 활용하면 볼츠만 꼬리에 의한 스위칭 속도의 저하를 막을 수 있으며, SS의 이론적 한계치인 60 mV/dec 이하의 값을 가지는 빠른 스위칭 소자를 구현할 수 있음. 이러한 소자는 동작전압 대비 뛰어난 성능을 가지면서 발열은 최소화하여 경량화 및 슬림화를 동시에 달성할 수 있음. 이를 위해 기존 반도체 시장에서 사용되는 Si 또는 III-V 물질보다 뛰어난 성능을 가지는 원자층 반도체 물질을 이용하고자 함. 원자층 반도체는 표면 불포화 결합이 없어서 기존의 벌크 반도체 물질 대비 뛰어난 전기적 특성을 보여줄 수 있음. 따라서 공정 최적화 및 성능 개선을 통해 원자층 반도체 기반의 터널링 트랜지스터를 제작하고자 함.

○ 1단계
● 연구 목표
1차년도: 원자층 반도체 내의 운반자 조절
2차년도: 금속-이차원 반도체 간 접촉 성능 조절
3차년도: 원자층 물질 및 벌크 물질의 전사 방법 개발

● 연구 내용
- 층간 삽입법을 이용한 원자층 반도체의 운반자 농도 조절 및 종류 조절
- 유효 전자 질량이 다른 원자층 물질을 이용한 도핑 농도 조절
- 고농도 도핑층을 이용하여 오믹컨택 형성
- 중간 삽입층을 이용한 DIGS 억제된 금속-이차원 반도체 접합 형성
- 그래핀 삽입층을 이용하여 장벽 없는 접촉 형성
- 금속/원자층 절연체 구조의 선택적 식각 방법
- 금속/원자층 절연체 구조의 임의기판으로의 전사 방법 개발

○ 2단계
● 연구 목표
4차년도: 원자층 물질 간 접촉력 향상
5차년도: 급경사 스위칭 터널링 트랜지스터 개발

● 연구 내용
- 표면 친수성 조절을 통한 물질 간 접합력 향상
- 후속 고진공, 열처리 공정을 이용한 전사 시 생성된 불순물 제거
- 고품위 소자 제작을 통한 이력현상 최소화
- 원자층 반도체 기반 터널링 트랜지스터 개발
- 급경사 스위칭, 저전력 소자 개발

□ 연구성과
○ 1단계 성과
● 정량적
SCI: 2편

● 정성적
운반자 종류 조절: 전자, 정공
운반자 농도: n_e = 1.1X10¹³, nh = 1.5X10¹³ cm^-2
다양한 원자층 반도체 이용 : 2개
피닝 인자 = 1.09
선형 출력 곡선 확보
쇼트키 장벽 ~ 0 meV
금속/원자층 반도체 너비 = 0.9 μm
다양한 물질의 전사 : 3개

○ 2단계 성과 목표
● 정량적
SCI: 3편

● 정성적
표면 거칠기 < 0.3 nm
이종접합 구조 종류 : 2개
SS < 60 mV/dec
이력 현상 < 1 V
V_dd < 1 V

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
본 연구를 통해 창출된 연구성과물은 4차 산업 혁명 시대에 필수적인 나노기술 분야에 새로운 기술 혁신을 제공할 수 있음.
기존 반도체 물질을 대체할 수 있는 신소재 물질로 주목받고 있는 이차원 물질이 직면하고 있는 난제를 극복하여 실생활에 적용할 수 있는 기술을 확보할 수 있음.
본 연구에서는 비메모리 소자에 관한 기술을 확보하는 것이 주목적이지만, 제안연구에서 수행한 결과들은 향후 메모리소자, 센서 시장 등에 직접 활용이 가능한 원천기술이 될 수 있음.
원자층 반도체 물질을 활용한 새로운 구조의 소자개발에 대한 기술적 문턱을 낮출 수 있음.
다양한 기초 연구 및 현상 관찰을 통해 국내의 과학기술 발달에 이바지할 수 있음.
세계반도체 시장무역통계기구 (WTST)에 따르면 2024년에는 약 5883억달러에 달하는 글로벌 반도체 시장 매출액이 예상된다고 발표한 바 있음. 이렇게 증가하는 반도체 시장에서 초고집적화, 초소형화, 저발열을 달성해서 가격경쟁력을 확보할 수 있는 소재/소자 기술을 개발하는 것이 필수적임.
본 연구를 통해 개발될 기술적, 물질적 성과는 본 연구에만 적용되는 것이 아닌 다양한 반도체 소자 구조에 접목될 수 있어 활용 가능성이 큼.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 1) 연구개발과제의 최종 목표 ... 5
• 2) 연구개발과제의 필요성 ... 5
• 3) 연구개발과제의 범위 ... 5
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 8
• 1) 연구수행 결과 ... 8
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 12
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 12
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 13
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 13
• 2) 연구 추진전략 ... 13
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 13
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 14
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 14
• 끝페이지 ... 27