지지체 바꾼 청정 공정 제안 … Nature Nanotechnology 게재
고집적 차세대 반도체 상용화 발판이 마련됐다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노구조물리 연구단 이영희 연구단장(성균관대 HCR 석좌교수) 연구팀은 윤미나 미국 오크리지국립연구소 그룹리더 연구팀과의 공동 연구를 통해 성능 저하를 유발하는 잔여물 없이 차세대 반도체 소자를 제작할 수 있는 새로운 공정을 개발했다.
성능을 한층 높인 차세대 반도체를 구현하기 위해서는 우수한 성능을 가진 전계효과트랜지스터(FET‧Field Effect Transistor) 소자 개발이 필수적이다.
실리콘을 대체할 이상적인 FET 소재로는 우수한 물리‧전기적 특성은 물론 반도체 특성까지 지닌 전이금속디칼코게나이드(TMD‧Transition Metal Dichalcognide)가 각광받고 있다. 하지만 10여 년에 걸친 집중적인 연구에도 불구하고, 공정 과정에서 사용되는 잔류물이 소자에 남아 성능을 저해한다는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다.
이차원 반도체 소자 공정에서는 반도체 물질 전사를 위해 전통적으로 절연체인 폴리메타크릴산메틸(PMMA‧Polymethyl Methacrylate)를 지지체로 사용해왔다. 하지만 TMD 반도체 물질 위에 PMMA 잔류물질이 남아 소자 성능을 저하시키는 것이 골칫거리였다.
학계에서는 다양한 유기물질을 사용하여 PMMA를 대체할 지지체를 찾아왔지만, 여전히 잔류물로 인한 전자적‧역학적 손실을 피하기는 어려웠다.
공동 연구진은 PMMA 대신 폴리프로필렌 카보네이트(PPC‧Polypropylene Carbonate) 지지체를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있음을 규명했다.
우선 연구진은 고집적이 가능한 수㎝ 크기 이황화몰리브덴(MoS2) 기반 이차원 반도체 물질을 합성하고, PPC를 지지체로 사용하여 반도체 물질을 전사했다.
이렇게 제작된 단일층 MoS2 소자에는 지지체인 PPC가 0.08% 미만으로 극소량만 남아 성능 저하가 거의 없었다. 또한 기존 공정의 또 다른 문제였던 단일층 반도체 소자의 쭈그러짐 문제도 해결했다.
연구진은 "PPC와 이황화몰리브덴 사이의 흡착에너지가 작아 PPC가 반도체 표면 위에서 쉽게 떨어지기 때문에 잔류물이 거의 없다"고 설명했다.
연구진이 제작한 MoS2 FET 소자는 양자 한계에 근접한 78Ω-µm의 작은 옴접촉저항과 1011 이하의 큰 전류 온/오프 비, 1.4mA/µm 이하의 최대전류 값을 나타내는 등 지금까지 개발된 어떤 소자보다 뛰어난 성능을 보였다.
연구를 주도한 이영희 단장은 “우리가 제안한 청정 이차원 소자 제조 공정은 대면적 TMD 소재를 고성능 전자기기 소자로서 응용하기 위한 이상적인 플랫폼”이라며 “PPC 지지체를 이용한 이차원 반도체 소재 전사 기술을 향후 다양한 이차원 소자 집적에 폭넓게 활용될 것으로 전망된다”고 말했다.
이번 연구 결과는 지난 5일(한국시간) 저명 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.3)’에 게재됐다.
