차세대 반도체 소자 혁신 이끌 '제작기술개발' 난제 풀었다 [세상을 깨우는 발견]

KBSI-UCF 공동연구팀, 반도체-금속 수평이종접합 소자기술개발

[유창재 기자]

▲ 투과전자현미경 관찰 이미지 2차원 PtSe2 반도체 물질과 PtTe2 금속 물질 간의 상변화에 따른 각 물질의 구조변화 투과전자현미경 관찰 이미지, (a-e) PtSe2에서 PtTe2로의 상변화에 따른 저배율 투과전자현미경 이미지와 SAED 패턴 이미지, 그리고 고배율 투과전자현미경 이미지. (g-k) PtTe2에서 PtSe2로의 상변화에 따른 저배율 투과전자현미경 이미지와 SAED 패턴 이미지, 그리고 고배율 투과전자현미경 이미지. ⓒ KBSI 제공

 
차세대 반도체 기술의 중요한 부분으로, 향후 전자 소자·광전자 소자·양자기술 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌어 낼 것으로 기대되는 '2차원 반도체 물질' 연구 분야의 난제를 국내 연구진이 풀어냈다. 

한국기초과학지원연구원(KBSI, 원장 양성광)은 22일 "소재분석연구부 정희석 박사 연구팀이 센트럴 플로리다대학교(UCF) 재료공학과 및 나노테크놀로지 센터 정연웅 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 2차원 전이금속디칼코젠(TMD) 반도체 물질 간의 상변화를 통한 이상적인 수평 금속-반도체 접촉을 형성하는 방법을 개발했다"면서 "2차원 반도체 물질의 접촉저항 문제를 해결했다"고 밝혔다.

KBSI는 이번 연구를 통해 다양한 2차원 물질들의 이상적인 반도체물질과 금속전극 간 접촉계면을 형성할 수 있는 접근 방법을 제시했으며, 현재까지 극복하기 어려웠던 접촉저항 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공할 것으로 기대하고 있다. 

KBSI에 따르면, 2차원 TMD 물질은 고유의 우수한 전기적, 물리적, 화학적 특성으로 실리콘 소자의 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 물질로 주목받고 있다. 그러나 2차원 반도체 물질과 3차원 금속전극과의 높은 접촉저항 문제가 실제 반도체 소자의 상용화에 한계점으로 여겨져 왔다고 한다. 
 

▲ 연구논문 과정 대표 이미지 _(a) 2차원 금속-반도체-금속 이종결합구조의 설계단계도(좌측)와 실제 전자기기의 광학현미경사진(우측) (b) 2차원 금속-반도체-금속 이종결합소자의 광학현미경 사진(상단)과 Raman mapping 이미지(하단) (녹색영역: PtSe2, 빨강영역: t-PtTe2). (b)의 광학현미경의 십자가 표시에 해당하는 Raman 스펙트럼(c)과 이에 해당하는 cross-sectional 투과전자현미경 EDS mapping 이미지, (d): PtSe2 영역, (e): t-PtTe2 영역 ⓒ KBSI 제공

 
이에 공동 연구진은 2차원 TMD 물질인 백금(Pt)과 각각 셀레늄(Se2) 혹은 텔루륨(Te2)으로 구성된 PtSe2와 PtTe2간의 상변화를 통한 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 이용해 대면적 금속-반도체-금속 구조의 2차원 반도체 소자 제작에 성공했다. 

참고로, PtSe2 물질이란 백금 디셀레나이드, 백금(Pt)과 셀레늄(Se)으로 이루어진 TMD 물질 중 하나이며, 2차원 PtSe2 TMD 물질은 높은 캐리어 이동도와 높은 안정성을 바탕으로 다양한 반도체 소자로 활용이 기대되는 물질이다. 

그리고 PtTe2 물질은 백금 디텔루라이드, 백금(Pt)과 텔루륨(Te)으로 이루어진 TMD 물질 중 하나이며, 2차원 PtTe2 TMD 물질은 박막 층수에 따라 도체와 반도체 성질을 부여할 수 있어서 물성 조절을 통한 반도체 소자에 응용이 기대되는 물질이다. 

화학기상증착법의 경우 반도체 제조 공정 중의 한 단계로, 화학물질을 열 또는 플라즈마를 이용해 기체 상태로 변화하여 웨이퍼의 표면에 필요한 반도체, 금속 등을 증착하는 방법을 말한다. 
 

▲ 2차원 전이금속디칼코젠 물질들(PtSe2 및 PtTe2)의 상변화 및 이종접합구조 분석에 활용된 STEM용 수차보정 투과전자현미경(KBSI 소재분석연구부 보유) ⓒ KBSI 제공

 
무엇보다 연구진이 제작한 반도체 소자는 기존 금속전극과의 3차원 접촉으로 이루어진 반도체 소자보다 훨씬 낮은 접촉저항 값을 보이고, 작동효율도 대폭 향상된 우수한 반도체 소자 특성을 갖는 것으로 확인됐다. 

정연웅 UCF 교수는 "반도체 물성과 금속 물성을 갖는 2차원 물질 간의 상변화를 이용한 2차원 수평접합구조의 합성을 통해 기존의 3차원 접촉으로 이루어진 반도체 전자소자와 비교하여 접촉저항을 현저하게 낮춘 고성능 반도체 전자소자를 설계하고 제조하는데 중요한 실마리를 제공한 것"이라고 강조헀다. 

박희석 KBSI 소재분석연구부 박사는 "금속-반도체 물질간의 상변화와 이를 이용한 수평접합구조 반도체소자의 원자단위 관찰과 원리규명에는 수차보정 투과전자현미경의 역할이 가장 중요했다"면서 "KBSI가 보유한 세계적 수준의 첨단연구 장비와 연구인력이 차세대 반도체 소자 및 기기의 개발 등 국가적으로 중요한 반도체 분야의 난제들을 해결하는데 앞으로도 많은 기여를 할 수 있을 것"이라고 말했다. 
 

▲ (공동교신저자) KBSI 정희석 박사(왼쪽), UCF 정연웅 교수(중앙) /(제1저자) UCF 한상섭 박사후연구원(오른쪽) ⓒ KBSI 제공

 
한편, 이번 연구는 서울대학교와 동아대학교, 미국 텍사스오스틴대학교, 스웨덴 린네대학교 간 국제공동연구 수행을 통해 얻어졌다. 연구 성과는 나노분야의 저명 학술지인 <나노 레터(Nano Letters)>지에 2월 14일자로 출판됐으며, 연구 성과의 우수성을 인정받아 학술지의 추가 커버 이미지(Supplementary Journal Cover Image)로도 선정됐다. 
 

▲ 나노분야의 저명 학술지인 <나노 레터(Nano Letters)>지에 실린 논문 표지 ⓒ KBSI 제공