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초미세화 기술이 적용될 차세대 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 산업에 실질적으로 사용할 수 있는 2차원 물질 기반 고성능 p형 반도체 소자 제작기술이 개발되었습니다.

UNIST 반도체 소재·부품 대학원·신소재공학과 권순용 교수팀은 UNIST 이종훈 교수팀과 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체(MoTe2)를 이용한 고성능의 p형 반도체 소자를 제작하는데 성공했습니다.

CMOS는 p형 반도체와 n형 반도체가 상보적으로 접합된 소자이며 소비전력이 적은 반도체 소자로 PC, 스마트폰 등 일상적인 전자소자에 널리 사용됩니다. 실리콘 소재의 CMOS가 주로 사용되는데 이온(ion)을 주입하는 공정에서 p형, n형 반도체 소자를 구현할 수 있습니다.

2차원 물질은 차세대 반도체로 주목받고 있는데 두께가 매우 얇아 같은 공정 시 구조가 쉽게 파괴됩니다.

특히 2차원 물질은 일반적인 3차원 금속 전극을 형성할 때 계면에서 다양한 결함이 발생하는 문제점을 가지고 있고 이를 해결하기 위한 다양한 연구들이 진행됐지만 대부분의 연구는 'n형 반도체'에 집중돼 있습니다.

연구팀은 반대로 'p형 반도체' 중 몰리브덴 텔루륨화 화합물반도체(MoTe2)를 활용했고 이들은 화학적 반응으로 박막을 만드는 화학기상증착법(CVD)을 통해 4인치의 큰 면적에서 소자를 합성할 수 있는 기술을 개발했습니다.

개발된 기술을 기반으로 2차원 반금속(semi-metal)에 3차원 금속을 증착했을 때 일함수가 조절되는 점을 활용해 고성능 p형 트랜지스터를 제작했고 또 합성온도와 시간을 조절해 4인치 크기의 반도체 박막을 고순도로 합성했습니다. 반금속 박막에 상 변이를 돕는 반도체 시드(seed)를 옮긴 후 500℃ 이하의 저온으로 합성하면 시드의 결정 모양대로 고품질의 반도체가 형성된다는 것을 확인했습니다.

연구팀은 일함수가 조절되는 성질을 이용해 새로운 트랜지스터를 구현했고 전하를 옮기는 물질인 '전하 운송자'가 들어가지 못하게 막는 배리어층이 최소화된 트랜지스터다.

3차원 금속이 2차원 금속의 보호막 역할을 해 기존보다 수율이 향상된 트랜지스터 어레이 소자 구현이 가능함도 확인했습니다.

제1 저자인 장소라 석·박통합과정 연구원은 "이번 연구에서 개발한 소자 제작 방법의 경우 논문에서 제시된 2차원 반도체뿐 아니라 다양한 2차원 소재에 적용할 수 있다"며 "개발된 2차원 소재가 CMOS 산업에 적용돼 집적화 향상에 기여할 수 있기를 기대한다"고 설명했습니다.