원자층 반도체 내 전하산란 막는 변조도핑법 개발로
초고속 소자 실마리를 풀다!
- Nature Electronics 게재
원자 한 층 두께로 얇고 전기적 성질이 우수하여 투명하고 유연한 소자 등에 쓰일 차세대 반도체 소재로 주목받는 원자층 반도체!
반도체 채널 내 불순물이 전하의 이동을 방해해 초고속 소자로의 개발이 더딘 가운데 전하의 진로를 방해하지 않도록 불순물을 공간적으로 분리할 수 있는 도핑기술이 선보였다.
고려대학교(총장 정진택) 이철호 교수 연구팀(이동훈 박사 등, KU-KIST융합대학원&공과대학 융합에너지공학과)과 공동연구팀(경희대학교 김영덕 교수, 울산과학기술원 정후영 교수 등)이 원자층 반도체, 이황화 몰리브덴의 전하이동도를 향상시킬 수 있는 원거리 도핑기술을 개발했다고 밝혔다.
※ 이황화 몰리브덴 (MoS2) : 대표적인 원자층 반도체 물질로, 한 층의 두께가 0.7nm 수준으로 얇으며, 그래핀과 달리 밴드갭을 가지고 있다. 또한 다층에서는 간접 밴드갭 에너지를 가지다가 단층이 되면 직접 밴드갭 에너지를 가지는 특성이 있다. 이를 이용하여 트랜지스터, 정류기, 광검출기, 태양전지, 발광다이오드 등 다양한 반도체 소자들에 쓰이고 있다.
그림 1. (좌) 이철호 교수, 교신저자. (우) 이동훈 박사, 제1저자
반도체에 전자 등을 추가로 주입하는 도핑과정을 거치면 반도체의 특성을 바꾸거나 새로운 특성을 부여할 수 있다. 다만 이 과정에서 불순물이나 결함 등이 생겨나는데 특히 얇은 원자층 반도체의 경우 잔류하는 불순물에 전하가 충돌하면서 전하의 이동이 느려지는 것이 문제였다.
이에 연구팀은 서로 다른 3개의 원자층 반도체를 적층하고 전하가 이들 층간을 이동하도록 함으로써 물질 내부 또는 표면에 자리한 불순물과 충돌을 줄일 수 있는 구조를 설계했다. 전하이동이 실제 이렇게 만들어진 이종접합 소자는 기존 소자보다 전하이동도가 18배 향상되었다.
그림 2. (좌) 원거리 변조 도핑을 위해 제작한 원자층 반도체 기반 이종접합 구조의 모식도.
일반적인 도핑의 경우 이황화몰리브덴(MoS2) 표면에 이온화된 불순물(PPh3)이 남아 있어 이황화몰리브덴 내부로 전자가 이동시 전하산란현상이 일어나지만 이황화몰리브덴과 이온화된 불순물 사이에 이셀레늄화텅스텐/육방정 질화붕소(WSe2/hBN) 이종접합구조를 삽입하여 채널 층 내의 전자와 공여체를 공간적으로 분리함으로써 공여체에 의해 전자는 채널층으로 주입되지만 이온화된 불순물에 의한 전하산란현상은 억제할 수 있어 전하이동이 방해받지 않도록 설계하였다. (우) 해당 구조의 에너지 밴드 정렬 모식도. 제시된 구조에서는 도핑을 통해 주입된 전자(그림에서 파란색 원으로 표시)는 층간 전하 이동을 통해 이황화몰리브덴(MoS2) 내부로 쉽게 전달되는 반면 공여체(PPh3)는 채널 층과 멀리 떨어질 수 있다.
또한, 이온화된 불순물에 의한 전하 산란 현상이 효과적으로 억제됨을 실험적으로 규명하고 원자층 반도체 물질의 초고속전자 소자로의 응용 가능성을 제시하였다.
그림 3. 변조 도핑(붉은색) 및 직접 도핑(파란색) 소자의 온도에 따른 전하이동도.
(좌) 도핑 전 :
변조 도핑 소자를 위해 만들어진 구조와 직접 도핑 소자를 위해 만들어진 구조 모두 도핑 전에는 저온에서 전하 이동도 감소가 나타나지 않았다. 이는 두 소자 모두 도핑을 하지 않았기에 이온화된 불순물이 없어서 저온에서 전하산란 현상이 없기 때문이다. (우) 도핑 후 : 직접 도핑 소자에서 저온에서 전하 이동도의 감소 양상이 나타났다. 이는 이온화된 불순물에 의한 전하 산란 현상은 저온에서 두드러지게 나타나기 때문이다. 반면, 변조 도핑 소자에서는 저온에서 전하 이동도의 감소 양상이 나타나지 않았다. 이는 변조 도핑의 경우 이온화된 불순물이 채널 층에서 공간적으로 분리되어 전하 산란 현상이 억제되었기 때문이다.
기존에도 고유전율 절연체 혹은 원자층 절연체를 게이트 산화물로 사용하여 전하산란을 억제하려는 연구가 있었으나 도핑을 하면서 동시에 전하산란 현상을 억제하는 기술은 없었다.
이번 연구에서는 원자층 반도체로 이황화몰리브덴을 사용하였으나 연구팀은 이같은 원리는 다양한 도핑방법 및 이종접합 소자구조에서도 적용될 수 있기 때문에 다른 원자층 반도체에도 접목할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이에 연구팀은 원자층 반도체 물질 기반 전자소자의 대면적화와 다른 물질군으로의 확대를 위한 후속연구를 수행하고 있다.
이번 연구는 로직 소자, 비메모리 반도체 소자 등과 같은 다양한 저전력, 고성능 소자의 제작에 활용될 수 있으며 고성능 반도체의 수요가 높은 기존 마이크로 프로세서 뿐만 아니라 3차원 모노리식 집적회로 및 소프트 전자 시스템 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 나노⦁소재기술개발사업, 중견연구지원사업, 선도연구센터사업 등을 통해 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, Impact Factor (I.F.) 33.695)에 9월 13일 게재되었다.
* 논문명: Remote modulation doping in van der Waals heterostructure transistors
* 저널명: Nature Electronics 4, 664–670 (2021)
* 저자: 이철호 교수 (교신저자/고려대학교), 이동훈 박사 (제1저자/고려대학교), 이제중 (공저자/경희대학교), 김윤석 (공저자/고려대학교), 김연호 (공저자/고려대학교), 김종찬 (공저자/울산과학기술원), 허웅 (공저자/고려대학교), 박성민 (공저자/고려대학교), 이재호 (공저자/고려대학교), 정후영 교수 (공저자/울산과학기술원), 김영덕 교수 (공저자/경희대학교)