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<자료문의> 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수(02-3290-5969)
불순물 비켜! 전하이동 방해하는 불순물 막는 초박막 이종접합 트랜지스터 제안 원자층 반도체 내 전하산란 막는 변조도핑법 개발로 초고속 소자 실마리

□ 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.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이철호 교수 연구팀(이동훈 박사 등, 고려대학교 KU-KIST 융합대학원)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.

□ 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.

□ 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.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 나노⦁소재기술개발사업, 중견연구지원사업, 선도연구센터사업 등을 통해 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 9월 13일 게재되었다.

주요내용 설명

논문명	Remote modulation doping in van der Waals heterostructure transistors
저널명	Nature Electronics
키워드	Atomic semiconductors (원자층 반도체), Modulation doping (변조 도핑), 2D electronics (이차원 전자소자), 고속트랜지스터 (High-mobility transistors), Heterostructures (이종 구조)
DOI	https://doi.org/10.1038/s41928-021-00641-6
저 자	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)

<작성 : 고려대학교 이철호 교수>

1. 연구의 필요성

○ 기존 실리콘 기반 전자소자는 그동안 소자의 초소형화 및 고집적화에 매우 뛰어난 기술적 발전을 거듭하였다. 하지만 수 나노미터 수준으로 소자의 크기가 줄어듦에 따라 소형화 기술이 물리적인 한계에 다다랐으며 표면 불포화 결합※에 의한 채널 내 전하 산란 현상 증가 및 서로 다른 소재 간의 이종집적의 어려움이 대두되고 있다.

※ 불포화 결합 (dangling bond) : 원자간 공유 결합이 끊어진 결합. 반도체의 결함으로 작용하며, 표면에 불순물 원자나 분자가 쉽게 화학결합을 이룰 수 있다.

○ 이에 반데르발스 층상구조의 원자층 반도체는 표면 불포화 결합이 없어 원자층 수준으로 얇은 두께에서도 고성능을 유지할 수 있고, 결정학적 제한 없이 이종접합 구조의 제작이 쉬운 장점 때문에, 차세대 전자소재로 최근 크게 주목받고 있다.

※ 원자층 반도체 : 원자 한층 만큼 두께가 얇고 반데르발스 층상 구조를 가지고 있으며 그래핀과 달리 밴드갭을 가지고 있어 반도체 특성을 가지는 이차원 물질. 대표적으로 이황화몰리브덴(MoS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등이 있다.

○ 하지만 원자층 반도체는 매우 얇은 특성으로 인해 주변 환경에 민감 하게 반응하여 소자 특성이 저하될 수 있다. 특히 도핑 시 원자층 물질의 격자 내 혹은 심지어 표면에 존재하는 이온화된 불순물에 의한 전하 산란 현상에 의해 고속, 저전력 전자소자 제작이 어려웠다.

※ 도핑 : 반도체 물질에 전자(또는 정공)을 추가로 주입하여 반도체의 특성을 조절하거나 혹은 새로운 특성을 부여하는 방법. 이 과정에서 소재 내에 불가피하게 불순물 또는 결함들을 발생시킨다.

※ 전하 산란 현상 : 반도체 채널 내에서 전하 수송자가 이동할 때, 결함 또는 불순물들과 충돌하여 운동량(또는 에너지)를 잃는 현상. 이로 인해 전자소자의 속도를 나타내는 핵심 지표인 전하 이동도가 저하된다.

○ 따라서 도핑 시 불가피하게 생성되는 이온화된 불순물에 의한 전하 산란 현상을 억제하는 기술을 개발할 필요가 있다.

2. 연구내용

○ 도핑된 원자층 두께의 반도체에서 불순물에 의한 전하 산란 현상을 억제할 수 있는 소자구조를 처음으로 제안하고 초고속 전자소자를 구현함으로써 전하 산란 억제 원리를 실험적으로 규명 하였다.

○ 원자층 반도체의 에너지 밴드구조를 비교하여 변조 도핑이 가능한 구조를 만들기 위해 다양한 원자층 반도체 물질 후보군 및 이종접합 구조를 선별하였다.

○ 선별된 물질 후보군 및 이종접합 구조에서 층간 전하 이동 및 도핑이 원활하게 이루어지는지 확인하고자 도핑에 따른 광 발광 특성 및 전기 전도도 측정을 진행하였다.

○ 이셀레늄화텅스텐/육방정 질화붕소/이황화몰리브덴(WSe2/hBN/MoS2) 이종접합 구조에서 층간 전하이동에 의해 광발광 특성이 변화하는 양상을 확인할 수 있었고, 이황화 몰리브덴 단일 층에서와 마찬가지로 변조 도핑을 통해 채널의 전기 전도도가 증가하는 것을 측정할 수 있었다.

※ 변조 도핑 : 도핑 시, 수송자를 제공하는 공여체(donor)와 전하 수송자가 공간적으로 분리되도록 만드는 방법이다.

○ 또한 해당 구조에서는 변조 도핑에 의해 저온에서 전하 이동도가 줄어들지 않는 것을 확인하였다. 같은 물질을 이용한 직접 도핑 소자 대비 18배 이상 높은 전하 이동도를 보여주는 우수한 특성을 보였다.

○ 공여체가 채널 층에서 물리적으로 떨어져 있어 이온화된 불순물에 의한 전하 산란 현상이 효과적으로 억제됨을 실험적으로 규명하고 원자층 반도체 물질의 초고속전자 소자로의 응용 가능성을 제시하였다.

3. 기대효과

○ 원자층 반도체 기반 고성능 전자소자 구현 및 실용화에 필수적인 도핑에 관련된 기술로 기존 도핑 방법 대비 높은 이동도를 달성할 수 있는 새로운 방법을 제안하였다.

○ 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.

그림 설명

(그림1) 밴드 정렬된 원자층 반도체 이종접합구조 모식도

(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.

그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 이철호 교수

(그림2) 변조 도핑 및 직접 도핑을 통해 제작한 소자의 전기적 특성

(좌) 도핑 소자의 게이트 전압에 따른 전기전도도 측정 결과(상온 조건). 변조 도핑 소자와 직접 도핑 소자 모두 도핑에 의해 채널의 전기전도도가 증가하는 양상을 보여주었다.

(우) 도핑 소자의 도핑 농도에 따른 전하 이동도 측정 결과. 변조 도핑의 경우 도핑 농도가 증가해도 전하 이동도의 변화가 없는 반면, 직접 도핑의 경우 도핑 농도가 증가에 따라 전하 이동도가 낮아졌다.

※변조 도핑(Modulation doping, MD) 및 직접 도핑(Direct doping, DD)

그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 이철호 교수

(그림3)  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.

그림 설명 및 그림 제공 : 고려대학교 이철호 교수

연구 이야기

<작성 : 고려대학교 이철호 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

최근 원자층 반도체 분야에서 가장 큰 이슈인 고성능, 저전력 전자소자 제작 및 해당 물질에 대한 원천기술 확보를 위한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 특히 도핑은 다양한 반도체 소자 구현을 위한 핵심 기술이지만, 매우 얇은 반도체에서는 필연적으로 전하 산란을 유발하여 소자의 성능을 저하시킨다는 근본적인 문제점이 있다. 또한 현재까지 이러한 물질을 도핑하는 방법 및 이종접합 구조 제작에 대한 연구는 활발히 진행되었지만 이를 접목하여 고 이동도를 가지는 원자층 반도체 소자의 개발에 대한 연구도 없었다. 이에 고성능을 유지하면서 도핑을 할 수 있는 기술을 개발하고자 연구를 시작하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

원자층 반도체 기반 초고속 전자소자 구현을 위한 전하 산란을 억제할 수 있는 도핑법이라는 연구의 핵심 아이디어를 설정한 후, 변조도핑 용이한 밴드 정렬구조를 이론적으로 탐구하여 물질 후보군을 선정하였다. 이종접합 구조에서 층간 전하 이동이 일어나는지 규명하기 위해 광학적 분석을 먼저 수행하였고 이러한 구조를 이용하여 도핑 제어와 이에 따른 이동도 변화를 확인하는 실험을 진행하였다. 추가로 온도에 따른 전하 이동도를 측정하여 이온화된 불순물에 의한 전하 산란 현상이 제시된 구조에서 억제 된다는 연구의 중요한 가정(hypothesis)을 실험적으로 규명할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

전하의 이동도에 영향을 미치는 요인에는 여러 가지가 있다. 이 중 이온화된 불순물에 의한 전하 산란의 영향만 비교하기 위해서는 반도체와 금속 물질 간 접촉저항에 의한 전기 전도도의 감소를 제거해야 할 필요성이 있었다. 낮은 접촉저항을 구현하는 것 자체도 소자 분야에서 아주 중요한 기술적 이슈이고, 이를 해결하기 위해 전극으로 그래핀을 사용하고 4단자 측정을 통해 접촉 저항이 배제된 전기 전도도를 측정할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구에서는 원자층 수준으로 매우 얇은 반도체 내에서 전하산란을 최소화할 수 있는 새로운 도핑법을 제시하였다. 기존 방식인 직접 도핑과 이번 연구에서 개발한 변조 도핑에 의해 제작한 소자의 전기적 특성 비교를 통해 원자층 반도체 내의 전하이동에 영향을 주는 인자를 밝혀낼 수 있었고, 이를 효율적으로 채널에서 분리하여 고이동도를 가지는 초고속 전자소자를 제작할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 변조 도핑법이 적용된 이황화몰리브덴 트랜지스터의 전하 이동도는 10K에서 1,100 cm2/Vs 인데, 이는 기존 방식인 직접 도핑법이 적용된 소자의 이동도인 63 cm2/Vs 대비 17배 향상된 결과이다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

이번 연구성과를 통해 원자층 수준으로 얇은 반도체 박막을 불필요한 전하 산란 현상 없이 도핑할 수 있는 기술을 개발하였기에 차세대 고성능 전자소자 등에 응용될 수 있다. 또한 원자층 반도체 물질 고유의 특성으로 인해 투명, 유연 소자로의 활용 가능성이 클 것으로 기대된다. 현재는 단일 소자에 대한 연구를 진행하였지만, 향후 대면적에서 구현된다면 실용화에 한 발 더 다가갈 수 있을 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

차세대 전자소재로서 원자층 반도체의 가능성은 무궁무진하지만 현재까지 개념검증의 연구단계에 머물고 있는 것 또한 사실이다. 하지만 본 연구에서 개발한 변조 도핑법과 같이 학문적으로 의미가 있으면서 동시에 산업적으로 중요한 원천기술의 개발은 반드시 필요하다. 향후 이를 더욱 발전시켜 대면적 소재 합성 및 소자 어레이 제작과 같은 실용화를 앞당길 수 있는 후속 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.

연구자 소개

<이철호, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 KU-KIST 융합대학원

○ 전 화 : 02-3290-5969

2. 학력

○ 1999 ~ 2005	포항공과대학교 학사 (신소재공학)

○ 2005 ~ 2011	포항공과대학교 박사 (신소재공학)

3. 경력사항

○ 2011 ~ 2014	콜롬비아대학교 물리학 박사후연구원

○ 2014 ~ 현재	고려대학교 KU-KIST 융합대학원 교수

4. 전문분야 정보

○ 신소재공학 (저차원물질 합성, 소자물리, 전자 및 광전자 소자 응용 연구)

5. 연구지원 정보

○ 2020 ~ 현재	과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구)

<이동훈, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 KU-KIST 융합대학원

○ 전 화 : 02-3290-5969

2. 학력

○ 2004 ~ 2008  포항공과대학교 학사 (신소재공학)

○ 2008 ~ 2012  포항공과대학교 박사 (신소재공학)

3. 경력사항

○ 2012 ~ 2013	연세대학교 철강연구소 전문연구원

○ 2013 ~ 2014	포항공과대학교 항공재료연구센터 박사후연구원

○ 2014 ~ 2016	삼성전자반도체연구소 책임연구원

○ 2016 ~ 현재	고려대학교 KU-KIST 융합대학원 연구교수

4. 전문분야 정보

○ 신소재공학(저차원 물질 전자소자, 광소자 연구)