손상된 기능 스스로 회복하는 자가치유 2차원 반도체 소자
손상된 기능 스스로 회복하는 자가치유 2차원 반도체 소자
  • 한국연구저널
  • 승인 2021.09.29 14:38
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성균관대학교 차승남 교수, 박상연 박사 연구팀, 장승훈 박사(한국화학연구원), 홍승현 교수(국민대학교)
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank
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4차 산업혁명 시대를 맞아 유연하고 투명하면서도 고직접/고성능을 구현할 수 있는 반도체 소자가 요구되고 있다.

 

이에 전이금속 칼코겐 화합물 기반(TMDC) 2차원 구조의 물질은 유연하고 투명한 특성과 더불어 우수한 전기적 특성 지녀 차세대 투명/유연/웨어러블 전자소자의 핵심 소재로 주목받고 있다. TMDC 물질 중의 하나인 이황화 몰리브덴은(MoS2) 두께가 원자 한 층 수준으로 얇으며 높은 전자이동도 특성 지닌 반도체 소재로 이를 기반으로 하는 다양한 전자소자의 상용화를 위한 많은 노력이 이루어지고 있다.

 

특히 2차원 반도체 물질은 원자층 수준의 두께를 지녀 기존의 반도체 소자 공정에서 손상되기 쉬우며, 특히 전극과 2차원 반도체 계면의 결함과 변칙성으로 인해 생기는 페르미준위 고정(Fermi-level pinning) 및 에너지 장벽 등에 의해 효과적인 전자 이동이 어려워 소자 특성이 크게 저하되어 2차원 물질 기반의 고성능 소자 구현을 위해서는 새로운 개념의 전극-반도체 소재 및 구조가 필요한 상황이다.

 

이에 차승남 교수(성균관대학교) 연구팀(박상연 박사, 1 저자)은 장승훈 박사(한국화학연구원)와 홍승현 교수(국민대학교)와의 공동연구로 기존 금속전극 대신 2차원 황화구리 (CuS) 전극을 새로이 제안, 자가치유 특성을 갖는 2차원 이황화 몰리브덴(MoS2) 기반 전자소자를 제작하여 소자의 성능을 크게 개선하는 데 성공했다.

 

2차원 반도체 소재는 유연성과 투명성 등으로 인해 차세대 반도체 소재로서 주목받고 있으나, 원자층 수준의 얇은 두께로 인해 반도체 소자 제작 공정에서 손상되기 쉽다.

특히 전극과 2차원 반도체 계면의 결함과 변칙성으로 인해 전자의 효과적인 이동이 어려워져 소자 특성이 크게 저하될 수 있다.

 

이에 연구팀은 2차원 반도체 소재 결함의 자가치유 성능을 지니는 전극-반도체 소재 시스템을 제안하였다.

2차원 이황화 몰리브덴의 결함은 대부분 황 원자의 결핍으로 발생한다. 황화구리 전극은 소재 내에 존재하는 잉여 황 원자를 2차원 이황화 몰리브덴의 황 원자 결핍 부위에 공급하여 결함을 치유한다. 이러한 결함의 치유는 2차원 반도체 소재 내의 전하 이동을 원활하게 하여, 소자 특성을 향상시킨다. 연구팀은 결함 치유의 작동기작을 다양한 전기적, 분광학적 분석 및 제1 원리 계산을 통해 규명하였다.

 

(그림1) 자가치유 반도체 소자 개발(a) CuS 전극을 통한 MoS2 자가치유 모식도. CuS 전극의 황 원자들을 통해 MoS2의 결함을 채워 자가치유 특성을 발현함. (b) MoS2/CuS 트랜지스터 소자 및 유연 소자와 이의 동작 특성. (c) 높은 전자이동도 (~100cm2V-1s-1)와 ON/OFF 비율 등의 우수한 성능 구현. 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박상연 박사후연구원
■ 자가치유 반도체 소자 개발 ■
(a) CuS 전극을 통한 MoS2 자가치유 모식도. CuS 전극의 황 원자들을 통해 MoS2의 결함을 채워 자가치유 특성을 발현함. (b) MoS2/CuS 트랜지스터 소자 및 유연 소자와 이의 동작 특성. (c) 높은 전자이동도 (~100cm2V-1s-1)와 ON/OFF 비율 등의 우수한 성능 구현. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박상연 박사후연구원]
(그림2) 자가치유 기작 규명                         (a) 제1원리 계산을 통한 자가치유 기작의 해석(b) 전자현미경으로 관찰한 MoS2 소재의 자가치유현상. 전자현미경 사진에서 관찰되는 결함들이 CuS에서 공급되는 S에 의해 치유된 MoS2그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박상연 박사후연구원
■ 자가치유 기작 규명 ■
(a) 제1원리 계산을 통한 자가치유 기작의 해석(b) 전자현미경으로 관찰한 MoS2 소재의 자가치유현상. 전자현미경 사진에서 관찰되는 결함들이 CuS에서 공급되는 S에 의해 치유된 MoS2 [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박상연 박사후연구원]

제안하는 자가치유 특성을 기반으로 하는 기능성 소재 및 소자 설계 기술은 소자의 수율, 수명 그리고 동작 특성 등을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 반도체 기술로의 활용이 기대되어 향후 과학 기술 및 산업적 응용 가치가 높을 것으로 예상된다. 또한 최근 주목받는 2차원 반도체 소재의 결함에 의한 불안정성을 해결할 수 있는 실마리를 제공하여 2차원 소재 기반 차세대 유연/투명 소자의 상용화를 앞당길 기술로서의 활용이 기대할 수 있다.

 

한편 연구팀은 자가치유 특성을 다양한 반도체 소자 적용할 수 있는 소재의 범위를 확장하고, 이의 성능 안정성을 개선하는 후속 연구를 지속할 계획이다.

 


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