- 세계적 학술지‘Science Advances’ 논문 게재 -
차세대 반도체 소재로 각광을 받고 있는 이황화몰리브덴의 전자 이동도를 극대화하는 방법이 국내 연구진에 의해 규명되었다.
이황화몰리브덴은 대면적 합성 및 대기 안정성, 높은 전도성 등의 다양한 장점으로 인해 반도체, 광전자소자 등의 차세대 전자 소재로 활발히 연구되고 있다.
본 연구결과는 세계 최고 과학전문지인‘Science’의 자매지로 자연과학의 모든 분야에 걸쳐 수준 높은 논문이 출판되는 학술지인 ‘Science Advances’에 2022년 9월 21일자로 게재되었다.
이 연구는 서울대 물리천문학부 이탁희 교수와 재료공학부 강기훈 교수를 중심으로, 조경준 박사(한국과학기술연구원)가 공동지도하였으며 한국연구재단의 개인연구사업(중견연구, 리더연구, 우수신진연구, 세종과학펠로우십)의 지원으로 수행되었다.
24개월마다 반도체 집적회로의 성능이 2배로 증가한다는 무어의 법칙에 따라 반도체 업계는 실리콘 칩 안에 더 많은 칩을 넣기위한 연구를 지속해왔지만, 실리콘 기반 반도체는 두께가 나노단위로 줄어들수록 물질 자체의 불완전함으로 인해 곧 물리적 한계에 마주할 것으로 많은 연구자들이 예상하고 있다. 이러한 배경 가운데, 원자 한 층 수준에서도 안정적인 이차원 물질 그 중에서도 이황화몰리브덴*이 주목받고 있다.
※ 이황화몰리브덴 (MoS2): 몰리브덴(Mo)과 황(S)의 무기화합물로써 한 층의 두께가 약 0.65 nm 이며 밴드갭을 가진 화합물 반도체
이황화몰리브덴은 원자 한층 수준에서도 전계효과 트랜지스터 및 광전자 소자로 뛰어난 성능을 보이며, 또한 수많은 이차원 물질과 이종접합구조 (heterostructure)의 형태로 새로운 특성을 가진 구조를 제작할 수 있으므로 무궁무진한 가능성을 가지는 차세대 반도체 소재로 평가받는다.
이황화몰리브덴을 차세대 반도체 소재로 상용화되기 위해서는 도핑을 통한 소자 성능 제어가 필수적이지만 실리콘 반도체와 비교하여 성능과 원리 측면에서 연구가 더 필요한 분야이므로 이를 해결하기 위해 전세계적으로 연구가 진행되고 있다.
이차원 반도체 물질 도핑 방법으로 치환 도핑, 정전기 도핑 그리고 전하이동 도핑이 있으며, 그 중에서 전하이동 도핑은 전하를 띈 불순물이 필수 불가결하게 유입되어 그로 인해 발생하는 전하 산란으로 인해 이차원 반도체의 전자 이동도가 낮아진다는 단점이 있다.
본 연구팀은 기존의 표면 전하이동 도핑을 한층 더 발전시킨 육각 질화 붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)와 이황화몰리브덴 이종접합구조에서 전자 이동도를 극대화시킬 수 있는 새로운 원격 전하이동 도핑(remote doping) 방법을 제시하였다.
특히, 원격 전하이동 도핑과 기존 도핑방법으로 제작한 이황화몰리브덴 트랜지스터의 성능을 극저온에서 비교 분석한 결과 원격 전하이동 도핑 소자에서 전하 산란이 효과적으로 줄어든다는 것을 확인하였으며 이로 인해 매우 높은 전하 이동도를 보였다.
또한, 원격 전하이동 도핑은 다른 치환 도핑방법과 달리 비침투적이며, 산화-환원반응에 기반하여 필요에 따라 도핑 물질을 선택할 수 있는 높은 자유도를 가졌으므로 이차원 반도체 연구분야에서 활용될 수 있는 발전 가능성을 가지고 있다.
이 논문의 제1저자인 장준태 연구원은 현재 서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정 대학원생이며 이탁희 교수 연구실에서 연구를 수행하고 있다.
장준태 학생은“전세계적으로 주목받는 차세대 이차원 반도체 물질에 대해 물리학적 관점에서 연구함으로써 기존의 지식을 넘어선 새로운 지식을 넓혀가는 일에 제가 아주 미세하게나마 기여하는 경험이 뜻깊었다”고 소감을 밝혔으며 “교수님과 선배님들의 도움으로 예상보다 더 좋은 결과를 얻을 수 있었고 그 결과, 첫 논문으로 세계적인 저널에 연구결과를 보고할 수 있는 영광을 얻게 된 것에 큰 감사를 느낀다.”고 덧붙였다.
이번 연구를 공동지도한 강기훈 교수는 본 연구성과에 대해“박사과정 때부터 신반도체 물질의 도핑 방법을 연구해오면서,‘이차원 반도체 물질에도 적용할 수 있는 효과적인 도핑 방법이 없을까?’하는 발상에서 시작하였다”며“초기 발상이 이렇게 우수한 결과로 이루어지기까지 최선을 다하여 참여해주신 연구진들께 감사드린다”고 소감을 밝혔다.
이번 연구를 공동지도한 조경준 박사는 본 연구성과에 대해“이번 연구를 통해 다양한 분야에서 주목받고 있는 차세대 이차원 반도체의 성능을 극대화 할 수 있는 효율적인 방법을 제시하였다”며, “특히, 함께 고생하며 의미 있고 재밌는 연구를 진행하여 성과를 낼 수 있게 노력한 여러 연구진들과 도움 주신 모든 분들께 감사드린다”고 소감을 밝혔다.
이탁희 교수는“도핑은 반도체 소자의 특성을 제어할 수 있는 가장 핵심적인 개념 중 하나”라며“본 연구결과는 반 데르 발스 힘에 의해 자연스럽게 접합구조가 가능한 이차원 물질의 특성을 적극 활용한 가장 효과적인 도핑 방법 중 하나를 선보이고 있다”고 연구의의를 밝혔다.
[연구결과]
Reduced dopant-induced scattering in remote charge–transfer-doped MoS2 field-effect transistors
Juntae Jang†, Jae-Keun Kim†, Jiwon Shin, Jaeyoung Kim, Kyeong-Yoon Baek, Jaehyoung Park, Seungmin Park, Young Duck Kim, Stuart S. P. Parkin, Keehoon Kang*, Kyungjune Cho*, and Takhee Lee*
(Science Advances, XXX), Open Access Published: 21 September 2022;)
- ○이황화몰리브덴은 원자 한층 수준에서도 전계효과 트랜지스터 및 광전자 소자로서 뛰어난 성능을 보이며, 다른 이차원 물질과 이종접합구조 (heterostructure)의 형태로 새로운 특성을 가진 구조를 제작할 수 있으므로 무궁무진한 가능성을 가지는 차세대 반도체 소재로 평가받는다. 이황화몰리브덴을 차세대 반도체 소재로 상용화되기 위해서는 도핑을 통한 소자 성능 제어가 필수적인 전략으로 주목받고 있다. 그러나 전하이동 도핑으로 도입된 불순물은 채널 내 전하 수송을 방해시켜서 이차원 반도체의 전자 이동도를 저해시킨다는 단점이 있다.
- ○본 연구에서는 기존 도핑 방법의 단점을 보완하기 위해 원격 전하이동 도핑을 새롭게 제시하였으며, 원격 도핑된 트랜지스터의 전하 수송을 정량적으로 분석하였다. 또한, 이를 기반으로 이차원 반도체의 전자 이동도를 극대화할 수 있는 새로운 도핑 방법을 제시하였다.
- ○이 연구에서는 원격 전하이동 도핑을 통해 h-BN/MoS2 이종접합구조 트랜지스터의 전자 이동도를 기존 도핑 방법과 정량적으로 비교 분석하였다. 원격 도핑된 h-BN/MoS2 이종접합구조 소자 구조 모식도와 도핑 전 광학 현미경 이미지이며(그림 1a,b), h-BN/MoS2 이종접합구조의 원자현미경으로 소자 두께가 약 2.7 nm 로 측정되었다(그림 1c). 주사투과전자현미경으로 분석한 소자 단면이며 다섯 층의 h-BN과 네 층의 MoS2를 확인할 수 있다(그림 1d).
- ○이황화몰리브덴을 차세대 반도체 소재로 상용화되기 위해서는 도핑을 통한 소자 성능 제어가 필수적이므로 h-BN/MoS2 트랜지스터에서의 원격 전하이동 도핑을 활용한 소자 컨트롤 가능성을 확인하였다(그림 2a,b). 기존 전하이동 도핑과 원격 전하이동 도핑을 했을 때 도핑 농도에 따른 컨덕턴스 변화를 확인하였으며 특히, 원격 전하이동 도핑에서 컨덕턴스가 더 큰 폭으로 증가하는 것을 확인하였다. 도핑 농도에 따라 증가된 전하 밀도량을 확인하기 위해 기존 전하이동 도핑(그림 2c, 왼쪽), 1-nm h-BN(그림 2c, 가운데), 2-nm h-BN에서의 원격 전하이동 도핑 (그림 2c, 오른쪽)으로 비교 분석을 진행하였다. 그 결과, h-BN의 두께가 두꺼워질수록 증가된 전하 밀도량이 작아지는 것을 확인하였으며, h-BN의 두께와 원격 도핑의 상관관계를 규명하였다.
- ○원격 전하이동 도핑에서 관측된 전하 불순물 산란 효과의 감소 원인을 규명하기 위해 시뮬레이션 모델링을 구현하였으며 이를 실험적으로 얻은 데이터와 비교 분석하였다(그림 3). 연구팀은 원격 전하 이동 도핑에서 더 큰 전하 이동도를 보이는 이유를 h-BN을 통해 터널링된 전자는 유효하지만 줄어든 채널 내 전하 산란 효과 때문이라고 결론짓는 동시에, 기존 도핑(그림 3a)으로 얻은 전자 이동도를 원격 전하이동 도핑(그림 3b)으로 얻은 전자 이동도와 비교 분석함으로써 원격 도핑에서 매우 높은 전자 이동도를 갖는 이유를 뒷받침하였다.
- ○본 연구에서는 기존 표면 전하 이동 도핑에서의 단점인 전하 산란으로 인한 소자 성능 저하를 효율적으로 감소시킨 원격 전하이동 도핑법을 제시하였다. 본 연구의 방법론은 원격 도핑된 이차원 반도체에서의 전하 수송에 대한 정량적, 정성적 분석을 제공하였고, 매우 높은 전자 이동도를 구현하는데 넓게 적용될 수 있는 새로운 방향을 제시하였다는 점에 학술적 의의가 높다.
- ○본 연구는 이차원 소재에서의 원격 도핑과 전하 불순물로 인한 산란 분석에 활용 가능하여, 특히 차세대 이차원 반도체에 요구되는 비파괴적이면서 소자 성능을 극대화할 수 있는 도핑 기술 개발에 핵심 통찰력을 제공할 것이라고 기대해 볼 수 있다.
[용어설명]
- ○사이언스 자매지로 자연과학의 모든 분야에 걸쳐 논문이 출판되며 2021년 기준 JCR Impact Factor가 14.136이다.
- ○몰리브덴(Mo)과 황(S)의 무기화합물로써 전이금속 디칼코겐나이드의 한 종류이며, 약 0.65 nm 두께의 한 층이 반 데르 발스 힘으로 수직으로 쌓여있는 구조이다. 밴드갭을 가지고 있어 원자 한 층 수준의 반도체 소자로 제작할 수 있으며, 광전자 소자 및 양자효과를 관측할 수 있는 소재로 각광받고 있다.
- ○전이금속 (주기율표상 Ⅳ 족 - Ⅶ 족 원소)의 원자 면이 칼코겐 원자 (S, Se 및 Te)의 두 원자 면 사이에 끼어 있는 형태로 MX2의 조성을 갖는 화합물이다. 전이금속 디칼코겐나이드는 원자 한 층 수준에서도 매우 뛰어난 전자 및 광전자 특성을 가지고 있어서 반도체소재부터 기초과학의 현상을 입증하는 소재까지 사용되는 미래소재로써 전세계적으로 주목받고 있다.
- ○소스, 드레인, 게이트 세 가지 터미널 시스템으로 구성되어있으며, 현대 전자소자에서 높은 에너지 효율과 고성능 스위칭에 필수적인 전자부품이다.
- ○고체 물리학에서 금속이나 반도체 내 전기장이 걸렸을 때 얼마나 빠르게 전자가 움직일 수 있는지를 나타내는 물리량이다. 전자소자의 성능을 나타내는데 중요한 지표로써 사용된다.
[그림설명]
그림 1. 원격 전하 이동 도핑을 위한 h-BN/MoS2 이종접합구조 트랜지스터. a, h-BN/MoS2 이종접합구조 소자 구조 모식도. b, 도핑 전 h-BN/MoS2 이종접합구조 소자 광학 현미경 이미지. c, h-BN/MoS2 이종접합구조의 원자현미경 이미지. 소자의 두께가 약 2.7 nm 로 측정되었다. d, 주사투과전자현미경으로 분석한 소자 단면. 다섯 층의 h-BN과 네 층의 MoS2를 확인할 수 있다.
그림 2. h-BN/MoS2 트랜지스터에서의 원격 전하 이동 도핑을 활용한 소자 컨트롤 가능성. a, 도핑 용액 농도별 기존의 전하이동 도핑에 따른 컨덕턴스 변화. b, 도핑 용액 농도별 원격 전하이동 도핑에 따른 컨덕턴스 변화. c, 용액 농도에 따라 증가된 전하 밀도량. 기존의 전하이동 도핑(왼쪽), 1-nm h-BN에서의 원격 전하 이동 도핑(가운데), 2-nm h-BN에서의 원격 전하 이동 도핑 (오른쪽). h-BN의 두께가 두꺼워질수록 증가된 전하 밀도량이 작아지는 것을 확인할 수 있다.
그림 3. 전하 불순물 산란 효과의 감소 원인을 규명하기 위한 기존 도핑과 원격 도핑 사이에서의 전하 이동도 비교. a, 기존 도핑에서의 전하 농도에 따른 전자 이동도 및 모식도 b, 원격 도핑에서의 전하 농도에 따른 전자 이동도 및 모식도.