밴드 정렬된 원자층 반도체 이종접합구조 모식도(사진. 한국연구재단)

한국연구재단은 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수 연구팀과 공동연구팀(경희대학교 김영덕 교수, 울산과학기술원 정후영 교수 등)이 원자층 반도체, 이황화 몰리브덴의 전하이동도를 향상시킬 수 있는 원거리 도핑기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 전하의 진로를 방해하지 않도록 불순물을 공간적으로 분리할 수 있어 다양한 저전력, 고성능 소자의 제작에 활용될 것으로 보인다.

기술 개요

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

하지만 원자층 반도체는 매우 얇은 특성으로 인해 주변 환경에 민감하게 반응해 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.

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

연구 내용

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

또한 이들은 원자층 반도체의 에너지 밴드구조를 비교, 변조 도핑이 가능한 구조를 만들기 위해 다양한 원자층 반도체 물질 후보군 및 이종접합 구조를 선별했다. 선별된 물질 후보군 및 이종접합 구조에서 층간 전하 이동 및 도핑이 원활하게 이뤄지는지 확인하고자 도핑에 따른 광 발광 특성 및 전기 전도도 측정을 진행했다.

이셀레늄화텅스텐/육방정질화붕소/이황화몰리브덴 이종접합 구조에서 층간 전하이동에 의해 광발광 특성이 변화하는 양상을 확인했고, 이황화 몰리브덴 단일 층에서와 마찬가지로 변조 도핑을 통해 채널의 전기 전도도가 증가하는 것을 측정할 수 있었다.

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.

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

기대성과

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

이 기술은 로직 소자, 비메모리 반도체 소자 등과 같은 다양한 저전력, 고성능 소자의 제작에 활용될 수 있으며 고성능 반도체의 수요가 높은 기존 마이크로 프로세서뿐만 아니라 3차원 모노리식 집적회로 및 소프트 전자 시스템 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.