조정호 교수팀, 대면적 고성능 이차원 반도체 전자 소자 개발

생산성·성능 향상, 제품화 가능성 확인…실리콘 반도체 대안 기대

[사진. (왼쪽부터) 조정호 교수, 성균관대 강주훈 교수, 권용현 공동 제1저자, 성균관대 김지현 공동 제1저자]

공과대학 화공생명공학과 조정호 교수 연구팀은 성균관대 강주훈 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 이온이 주입된 형태의 절연층을 활용한 고성능 대면적 이차원 반도체 전자 소자 개발에 성공했다. 이번 연구 결과는 고집적 한계에 직면한 실리콘 반도체 소자의 대안으로 주목받았다.

이차원 반도체 소재는 두께가 원자 단위로 매우 얇은 소재로 물질의 구조가 두 가지 주요 차원으로만 제한되는 소재이다. 이차원 반도체는 원자 수준으로 얇은 두께와 그에 따른 독특한 물성을 가져 기존 실리콘 기반 반도체의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 소재로 오랫동안 주목받고 연구돼 왔다. 두께가 원자 단위인 이차원 반도체 소재는 고집적도의 칩 생산이 가능하지만, 이론 대비 성능이 낮고 대면적 제작이 쉽지 않아 제품화에 어려움을 겪어 왔다.

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 전자 소자를 개발해 문제 해결의 실마리를 찾았다.

또한, 고성능 이황화몰리브덴(MoS2)을 용액 공정으로 대량 합성하고 잉크 형태로 제작 후, 반도체 산업에서 활용하는 슬롯 다이 코팅 기법으로 절연층과 반도체층 모두 5인치 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하는 공정도 개발했다.

연구팀이 이온이 주입된 절연층(SEA)을 활용해 고성능 이황화몰리브덴(MoS2) 트랜지스터 전자 소자의 구동을 확인한 결과, 최고 전하 이동도가 100㎠/Vs 이상이었다. 전하 이동도는 전자와 정동이 움직이는 빠르기로, 전하 이동도가 높으면 전기적 신호 전달도 빨라진다. 

이는 기존 용액 공정 기반 이황화몰리브덴(MoS2) 트랜지스터들의 전하 이동도가 산화 실리콘 기판에서 약 1~5㎠/Vs임과 비교해 최고 100배 이상 향상된 결과이다. 

또한, 높은 전하 이동도의 원인을 밝히기 위해 전하 수송 현상과 절연 소재의 일함수(work function)를 분석한 결과, MoS2/SEA 반도체 전자 소자에서 전하의 이상적인 이동을 관찰했다.

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

[그림. 슬롯 다이 코팅 기법을 활용해 절연층(SEA)과 반도체층(MoS2)을 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하고 트랜지스터 전자 소자를 제작했다. 제작한 트랜지스터 전자 소자를 활용해 로직 회로를 구현, 응용 가능성을 입증했다.]

조정호 교수는 “이번에 개발한 전자 소자는 대면적에 코팅한 이황화몰리브덴(MoS2) 트랜지스터 중 최고 성능을 달성해 이차원 반도체 소재의 고성능 소자화 및 대면적화를 동시에 만족하는 방법을 제시하고, 이차원 반도체 소자의 실용화 가능성을 높였다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 우수신진후속지원사업, 미래소재디스커버리사업, 우수연구자교류지원사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 국제 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 6월 9일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Wafer-scale transistor arrays fabricated using slot-die printing of molybdenum disulfide and sodium-embedded alumina

● 논문주소: https://doi.org/10.1038/s41928-023-00971-7

용어설명

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

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