강주훈 교수 공동연구팀, 대면적 고성능 이차원 반도체 전자소자 개발

- 생산성·성능 향상, 제품화 가능성 확인…실리콘 반도체 대안 기대

▲ (왼쪽부터) 성균관대 신소재공학부 강주훈 교수, 연세대 조정호 교수, 성균관대 김지현 연구원, 연세대 권용현 연구원

대면적으로 제작 가능한 고성능 이차원 반도체 전자소자가 개발되어 고집적 한계에 직면한 실리콘 반도체 소자의 대안으로 주목받았다.

조정호 연세대학교 교수와 강주훈 성균관대학교 교수 공동연구팀(제1저자: 연세대 권용현 박사과정, 성균관대 김지현 박사과정)이 이온이 주입된 형태의 절연층을 활용한 고성능 대면적 이차원 반도체 전자소자 개발에 성공했다.

두께가 원자 단위인 이차원 반도체 소재*는 고집적도의 칩 생산이 가능하지만 이론 대비 성능이 낮고 대면적 제작이 쉽지 않아 제품화에 어려움이 있었다.

 * 이차원 반도체 소재: 이차원 소재는 두께가 원자 단위로 매우 얇은 소재로 물질의 구조가 두 가지 주요 차원으로만 제한되는 소재이다. 이러한 소재는 평면적인 특성을 가지며, 표면적이 매우 크고 이로 인해 독특한 물리적 및 전기적 특성을 갖게 된다.

연구팀은 전기적 특성이 우수하고 대면적 생산이 가능한 이차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2)에 이온이 주입된 절연층(sodium- embedded alumina, SEA)을 도입한 고성능 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 개발하여 문제해결의 실마리를 찾았다.

또한, 고성능 MoS2를 용액공정으로 대량 합성하고 잉크형태로 제작 후, 반도체 산업에서 활용하는 슬롯 다이 코팅 기법*으로 절연층과 반도체층 모두 5인치 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하는 공정도 개발하였다.

 * 슬롯 다이 코팅: 슬롯 다이 코팅은 반도체 웨이퍼 표면에 정확한 두께의 코팅을 형성하는 기술이다. 특수 장비를 사용하여 반도체 웨이퍼를 안정적으로 고정한 후 이동시키며, 동시에 코팅 재료를 슬롯(구멍)을 통해 웨이퍼 표면에 코팅하는 방식을 말한다.

연구팀이 이온이 주입된 절연층을 활용해 고성능 MoS2 트랜지스터 전자소자의 구동을 확인한 결과 최고 전하이동도*가 100 cm2 V-1 s-1 이상이었다.

이는 기존 용액공정 기반 MoS2 트랜지스터들의 전하이동도가 산화실리콘 기판에서 약 1~5 cm2 V-1 s-1임과 비교해 최고 100배 이상 향상된 결과이다.

또한, 높은 전하이동도의 원인을 밝히기 위해 전하수송 현상과 절연 소재의 일함수**를 분석한 결과, MoS2/SEA 반도체 전자소자에서 전하의 이상적인 이동을 관찰하였다.

 * 전하이동도 : 전자와 정동이 움직이는 빠르기를 의미한다. 전하이동도가 낮으면 전기적 신호 전달도 늦어진다.

 ** 일함수(work function): 재료 표면에서 전자가 이탈하기 위해 필요한 최소 에너지를 의미한다.

더불어, 연구팀은 MoS2/SEA 반도체 전자소자를 활용해 다양한 로직 회로를 구현하여 실제 전자 제품에 응용 가능성을 입증했다.

▲ 슬롯 다이 코팅 기법을 활용해 MoS2/SEA 트랜지스터를 대면적 웨이퍼에 제작하고 로직회로에 응용

조정호 교수는 “이번에 개발한 전자소자는 대면적에 코팅한 MoS2 트랜지스터 중 최고 성능을 달성하여 이차원 반도체 소재의 고성능 소자화 및 대면적화를 동시에 만족하는 방법을 제시하고, 이차원 반도체 소자의 실용화 가능성을 높였다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 우수신진후속지원사업, 미래소재디스커버리사업, 우수연구자교류지원사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 6월 9일 게재되었다.

○ 관련 언론보도

 - 대면적 제작 가능한 고성능 이차원 반도체 전자소자 개발 <조선비즈, 2023.07.24.>
 - 연세대-성균관대, 대면적 고성능 이차원 반도체 전자소자 개발 <뉴스1, 2023.07.24.>
 - “전기신호 전달 성능 100배↑” 대면적 ‘이차원 반도체’ 전자소자 개발 <헤럴드경제, 2023.07.24.>
 - 대면적 고성능 2차원 반도체 전자소자 개발…고집적 한계 실리콘 반도체 대안 <전자신문, 2023.07.24.>
 - 성균관대·연세대, 대면적 이차원 반도체 소재 개발 <신소재경제신문, 2023.07.24.>
 - 대면적 고성능 이차원 반도체 전자소자 개발 <이웃집과학자, 2023.07.24.>
 - 한국연구재단, 대면적 고성능 이차원 반도체 전자소자 소개 <충청뉴스, 2023.07.24.>