차세대 웨어러블 유연소자의 성능 극대화 가능성 열어! 재료硏, 2차원 초박막 반도체-금속 간 전하 이동 매커니즘 세계 최초 규명!

 

# 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 2차원 소재의 반도체-금속 간 계면 특성과 전하 이동 매커니즘이 세계 최초로 규명됐다. 이 결과는 나노분야 최고 권위지인 나노레터스지(Nano Letters) 온라인 판 8월호에 게재됐다.

 

 

  재료연구소(소장 김해두, KIMS)는 표면기술연구본부 조병진 박사팀(제1저자 : 김용훈 박사)과 인하대 함명관 교수가 2차원 전이금속계 소재로만 구성된 트랜지스터 소자의 향상된 전하 이동 특성이 깨끗하고 균일한 계면 물성과 전기적으로 신뢰성 있는 접합 특성 때문에 발생한다는 것을 실험적으로 최초 규명하는데 성공했다고 밝혔다.

 

 

  반도체와 금속 간 전하의 이동에 관한 연구는 반도체 소자의 성능 개선을 위한 중요한 단서를 제공해 최종 전자제품의 성능을 극대화하고 신뢰성을 확보하는데 필수적인 요소이다. 특히 전통적인 3차원 구조가 아닌 원자층 두께의 2차원 전이금속계 소재로만 구성된 다양한 적층구조에서의 전하 수송 매커니즘 연구는 이론적으로 예측만 됐을 뿐 실험적으로 보고된 예가 없었다.

※ 2차원 구조와 3차원 구조의 특성 및 차이 - 2차원 층상구조는 그래핀이나 전이금속 칼코지나이드계 소재와 같이 특정 소재만 가지고 있는 재미있는 결정구조임. 수평으로는 강한 공유결합으로 연결되어 있고 수직으로는 약한 반데르발스로 결합하고 있어 원자 한 층 또는 수 나노미터 두께의 매우 얇은 필름의 제작을 가능케 함. 하지만 대부분의 소재들은 3차원 형태의 벌크 구조, 즉 수십 나노미터 이상의 상대적으로 두꺼운 필름이 형성되어야 소재 고유의 물성을 발현시킬 수 있음.

※ 3차원이 아닌 2차원 소재가 높은 관심을 받는 이유 - 실리콘 소자는 물리적인 집적화 한계에 이르렀으며 또한 미래 차세대 유연소자에 대한 필요성이 증대되면서 이를 위한 대안 소재로서 2차원 관련 소재가 상당한 관심을 받게 되었음. 대표적인 2차원 반금속 소재인 그래핀의 우수한 물성이 보고된 이후로 전이금속 칼코지나이드계를 비롯한 다양한 2차원 반도체 소재들에 대한 연구가 폭발적으로 증가하고 있는 추세임.

  본 연구팀은 2차원 반도체 소재인 텅스텐 다이셀레나이드(WSe2) 위에 2차원 도체 소재인 니오비윰 다이셀레나이드(NbSe2)를 접합해 전자소자를 새롭게 제작했다. 그리고 접합 특성을 더욱 향상시키고자 접합 사이에 2차원 합금 소재(WXNb1-xSe2)를 도입했다. 이를 기존의 3차원 접합소재인 팔라듐(Pd) 접합과 비교 분석을 통해 2차원 소재 간의 계면 특성이 우수한 원인을 밝혀냈다.

 

  전통적인 3차원 금속과 2차원 반도체 간 접합의 경우, 계면 사이에 무수한 결함이 존재하고 균일도가 좋지 않아 소자의 성능을 향상시키는데 한계가 있다. 본 연구팀은 금속성의 2차원 도체 소재와 합금 소재를 2차원 반도체 소재 위에 차례로 적층하면 계면의 결함 밀도를 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 에너지 장벽을 크게 낮춰 전하 이동을 향상시킬 수 있음을 실험적으로 입증했다. 특히 이러한 결함들을 정량적으로 추출할 수 있는 전기적 분석법을 2차원 소자에 최초 적용하여 계면의 결함 밀도가 접합되는 금속에 따라 차이가 나타날 수 있음을 확인했다.

 

  연구를 주도한 재료연구소 조병진 박사는 “2차원 아키텍쳐 형태의 차세대 반도체 소자 연구가 그 동안 활발히 진행됐음에도 불구하고 계면 품질의 정량적인 분석법 개발과 전하 수송 매커니즘에 대한 연구는 미진했던 게 사실”이라며, “이번 연구결과가 차세대 웨어러블 유연소자의 성능 극대화 등 이종접합 기반의 2차원 나노 반도체를 활용한 다양한 에너지 및 전자소자 응용연구에 도움이 될 수 있기를 기대한다.”고 말했다.

 

  이번 연구성과는 재료연구소 주요사업 ‘전이금속계 2차원 소재 원천기술 개발(과제책임자 : 이규환 박사)’과 ‘뇌 기능을 모방한 저전력 뉴로모픽 시냅스 소재 및 소자 개발(과제책임자 : 조병진 박사)’그리고 한국연구재단 신진연구자지원사업 ‘2차원 나노박막 MoS2소재 합성과 가스센서 소자화 기술 개발(과제책임자 : 조병진 박사)’의 과제 지원으로 수행됐다.