▲ 잔류물 없는 대면적 단일층 MoS2-FET 제조연구진은 소자의 성능 저하를 유발하는 잔류물 없이 대면적 단일층 MoS2 기반 FET 소자를 제조하는 새로운 공정(a)을 제시했다. 이 공정을 이용해 제작한 FET 소자는 옴접촉저항(b), 전류 온/오프 비(c), 최대전류(d) 등에서 기존 소자보다 뛰어난 성능을 보였다. (자료=성균관대) |
성능을 한층 높인 차세대 반도체를 구현하기 위해서는 우수한 성능을 가진 전계효과트랜지스터(FET, Field Effect Transistor) 소자 개발이 필수적이다. 실리콘을 대체할 이상적인 FET 소재로는 물리·전기적 특성은 물론 반도체 특성까지 지닌 전이금속디칼코게나이드(TMD, Transition Metal Dichalcognide)가 각광받고 있다. 하지만 10여 년에 걸친 집중적인 연구에도 불구하고, 공정 과정에서 사용되는 잔류물이 소자에 남아 성능을 저해한다는 문제가 상용화에 걸림돌이 되어왔다.
이차원 반도체소자 공정에서는 반도체 물질 전사를 위해 전통적으로 절연체인 폴리메타크릴산메틸(PMMA, Polymethyl Methacrylate)를 지지체로 사용해왔다. 그러나 TMD 반도체 물질 위에 PMMA 잔류물질이 남아 소자 성능을 저하시키는 것이 골칫거리였다. 학계에서는 다양한 유기물질을 사용하여 PMMA를 대체할 지지체를 찾아왔지만, 여전히 잔류물로 인한 전자적, 역학적 손실을 피하기는 어려웠다.
공동 연구진은 PMMA 대신 폴리프로필렌 카보네이트(PPC, Polypropylene Carbonate) 지지체를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있음을 규명했다. 우선 연구진은 고집적이 가능한 수㎝ 크기 이황화몰리브덴(MoS2) 기반 이차원 반도체 물질을 합성하고, PPC를 지지체로 사용하여 반도체 물질을 전사했다.
이렇게 제작된 단일층 MoS2 소자에는 지지체인 PPC가 0.08% 미만으로 극소량만 남아 성능 저하가 거의 없었다. 더 나아가, 기존 공정의 또 다른 문제였던 단일층 반도체 소자의 쭈그러짐 문제도 해결했다. 연구진은 PPC와 이황화몰리브덴 사이의 흡착에너지가 작아 PPC가 반도체 표면 위에서 쉽게 떨어지기 때문에 잔류물이 거의 없다고 설명했다.
연구진이 제작한 MoS2 FET 소자는 양자 한계에 근접한 78Ω-μm의 작은 옴접촉저항1)과 1011 이하의 큰 전류 온/오프 비2), 1.4mA/μm 이하의 최대전류3) 값을 나타내는 등 지금까지 개발된 어떤 소자보다 뛰어난 성능을 보였다.
연구 결과는 9월 5일(한국시간) 저명 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 38.3)’에 게재됐다.
※ 논문정보
- 논문명: Low Ohmic contact resistance and high on/off ratio in transition metal dichalcogenides field-effect transistors via residue-free transfer
- 저자: Ashok Mondal, Chandan Biswas, Sehwan Park, Wujoon Cha, Seoung-Hun Kang, Mina Yoon, Soo Ho Choi, Ki Kang Kim, and Young Hee Lee.