이차원 반도체 대면적 제조 기술 개발

연세대-성균관대 연구팀, 이온 주입형태 절연층 활용 고성능 대면적 이차원 반도체 전자소자 개발

이차원 반도체를 대면적으로 제작할 수 있는 소재와 공정 기술이 개발됐다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 조정호 연세대학교 교수와 강주훈 성균관대학교 교수 공동연구팀이 이온이 주입된 형태의 절연층을 활용한 고성능 대면적 이차원 반도체 전자소자를 개발했다고 24일 밝혔다.

두께가 원자 단위인 이차원 반도체 소재는 기존 실리콘 반도체의 집적도 한계를 넘을 대안으로 주목받고 있지만, 대면적 제작이 쉽지 않고 이론에서 예측하는 것에 비해 실제 성능이 높지 않아 제품화에 어려움이 있었다.

연구팀은 전기적 특성이 우수하고 대면적 생산이 가능한 이차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)에 이온이 주입된 절연층(SEA, sodium- embedded alumina)을 도입한 고성능 MoS₂/SEA 반도체 전자소자를 개발해 문제 해결의 실마리를 찾았다.

또 고성능 MoS₂를 용액 공정으로 대량 합성하고 잉크 형태로 제작한 후 슬롯 다이 코팅 기법으로 절연층과 반도체층 모두 5인치 대면적 웨이퍼에 균일하게 코팅하는 공정도 개발했다. 슬롯 다이 코팅은 코팅 재료를 슬롯(구멍)을 통해 투입해 반도체 웨이퍼 표면에 정확한 두께의 코팅을 형성하는 기술로, 현재 반도체 제조 공정에 쓰이고 있다. 

이온이 주입된 절연층을 활용한 고성능 MoS₂ 트랜지스터 전자소자를 구동한 결과, 최고 전하이동도가 산화실리콘 기판에 비해 최고 100배 이상 향상됐다. 전하이동도는 전자와 정동이 움직이는 빠르기를 말하며, 전하이동도가 낮으면 전기적 신호 전달도 늦어진다. 

연구팀은 MoS₂/SEA 반도체 전자소자를 활용한 다양한 로직 회로를 구현, 실제 전자 제품에 응용할 수 있는 가능성도 보였다. 

조정호 교수는 "이번에 개발한 전자소자는 대면적에 코팅한 MoS₂ 트랜지스터 중 최고 성능을 달성하여 이차원 반도체 소재의 고성능 소자화 및 대면적화를 동시에 만족하는 방법을 제시하고, 이차원 반도체 소자의 실용화 가능성을 높였다"라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 우수신진후속지원사업, 미래소재디스커버리사업, 우수연구자교류지원사업 등의 지원으로 수행됐으며, 학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 최근 게재됐다.