연세대학교 물리학과 조만호 교수는 삼성전자 종합기술원 이은하 전문연구원 연구진과 공동연구를 통해 금속-반도체 접합에서 2차원 반도체 물질과 이상적인 접촉을 형성하는 방법을 고안해, 반도체-금속 접촉저항 문제뿐 아니라 반도체-금속 접합의 난제였던 ‘페르미 준위 고정 현상(Fermi-level pinning)’을 이상적으로 해결하는 데 성공했다.
 
금속-반도체 접합 특성은 반도체 소자의 전자 공급 및 전자기장에 의한 조절에서 절대적인 특성을 좌우하는 매우 중요한 특성으로, 반도체-금속 계면에서 피할 수 없이 나타나는 결함의 형성으로 인해 반도체 소자 특성을 제한하는 근원적인 문제를 갖고 있다. 이를 해결하기 위한 많은 연구가 진행됐지만 결함의 원인을 규명하지 못했으며 궁극적인 해결 방법도 찾지 못했다.
 
연구진은 3차원 반도체와 달리 2차원 반도체는 표면의 반데르발스 결합(van der Waals bonding)을 형성하는 특성으로 인해 금속과 화학적 결합을 억제할 수 있으므로 결함 형성을 최소화할 수 있다는 점을 이용했다. 계면에 화학적 결합이 없으면서도 금속과 접촉 시 금속 원자들의 충돌을 완화할 수 있는 완충층을 새롭게 고안해 냈으며, 금속층 형성 후 간단하게 완충층을 제거할 수 있는 방법을 확보해 이상적인 금속-반도체 계면 형성에 성공할 수 있었다. 

이렇게 형성된 계면은 이상적인 반데르발스 결합 특성의 간격을 유지하는 것을 고분해능 주사투과전자현미경을 이용해 원자 수준에서 확인하고, 이를 이용할 경우 다양한 반데르발스 표면 특성을 갖는 2차원 반도체의 n형 및 p형 소자 개발이 금속 접촉 특성만으로 조절 가능함을 확인했다. 또한, 2차원 반도체뿐만 아니라 위상절연체와 같은 반데르발스 표면을 갖는 모든 물질과 이상적인 계면을 형성하는 것이 가능하므로 현재까지 관찰되지 않은 물리적 현상들을 새롭게 얻을 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이에 더해, 접촉저항 및 페르미 준위 고정 현상의 원인이 계면 결함에 의존한다는 기존 보고와는 달리, 2차원 반도체와 금속 사이의 계면 거리에 절대적으로 의존함을 실험적으로 확인하고 이러한 원인을 이론적으로 규명했다.

연세대 조만호 교수는 “반도체-금속 간 계면 접촉저항의 원인이 일반적으로 알려진 것과 매우 다르게 발현된다는 것을 확인했고, 이로부터 반도체-금속 간 저항 특성을 해결해 2차원 반도체를 실제 소자에 응용할 수 있는 가능성을 높일 수 있었다”며 “다양한 금속과 2차원 반도체에 적용할 수 있을 뿐 아니라, 3차원 소자에도 그 응용을 고려할 수 있다는 점에서 향후 반도체 소자의 성능 향상에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
 

본 연구결과는 세계적인 전자소재·소자 분야 최고 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature electronics, IF 33.686)’에 4월 22일 게재됐다. 권기현(단독 제1저자, 연세대), 최윤호(연세대, 현 삼성전자), 이향숙(삼성전자 종합기술원), 김현식(연세대), 정재훈(연세대), 정광식(동국대), 백민(연세대, 현 삼성전자), 권회돈(연세대), 안재민(삼성전자 종합기술원), 이은하(공동교신저자, 삼성전자 종합기술원), 조만호(공동교신저자, 연세대)가 저자로 참여했다. 본 연구는 한국연구재단 나노 및 소재기술 개발 사업, 연세대-삼성전자 산학 및 한국연구재단 SRC 지원을 통해 이뤄졌다.

이현건 기자 다른기사 보기