전이금속 디칼코게나이드 장을 안정적으로 제조하는 방법

2023년 1월 12일 특집

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작성자: Ingrid Fadelli, Tech Xplore

전자 엔지니어들은 대부분의 현대 전자 제품의 핵심인 반도체 장치인 더 얇고, 더 효율적이며, 더 나은 성능을 제공하는 트랜지스터를 개발하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다. 이를 위해 그들은 광범위한 재료의 잠재력을 평가해 왔습니다.

전이 금속 및 칼코겐 원소를 기반으로 하는 화합물인 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)는 매우 매력적인 전자적 및 기계적 특성을 갖고 있어 미래 세대의 트랜지스터 개발을 위한 유망한 후보가 됩니다. 가장 주목할 만한 점은 댕글링 본드(dangling bond)가 없고 실리콘과 유사한 밴드갭이 없는 원자적으로 얇은 구조를 가지고 있다는 것입니다.

유리한 특성에도 불구하고 TMD는 아직 대규모로 트랜지스터를 만드는 데 사용되지 않았습니다. 그 주된 이유는 이러한 재료와 기판 사이의 경계면에서 약한 접착 에너지로 인해 광범위한 제조가 어려워지기 때문입니다.

삼성전자와 시카고 대학의 연구원들은 최근 TMD 기반 전계 효과 트랜지스터(FET)를 웨이퍼 규모로 안정적으로 통합할 수 있는 전략을 확인했습니다. Nature Electronics에 발표된 논문에 소개된 그들이 제안한 접근 방식은 서로 다른 재료의 샘플 사이에 나노 규모의 간격을 형성하는 혁신적인 기술인 접착 리소그래피의 사용을 기반으로 합니다.

Van Luan Nguyen과 그의 동료들은 논문에서 "2차원 물질을 기반으로 한 전계 효과 트랜지스터는 차세대 반도체 칩에서 실리콘 기반 장치를 대체할 수 있는 잠재적인 요소입니다."라고 썼습니다. "그러나 2차원 재료와 기판 사이의 약한 계면 접착 에너지는 웨이퍼 규모에서 낮은 수율과 불균일한 트랜지스터로 이어질 수 있습니다. 또한 광화학 반응과 화학적 에칭을 포함한 기존의 포토리소그래피 공정은 원자적으로 얇은 재료를 손상시킬 수 있습니다."

연구의 일환으로 Nguyen과 그의 동료들은 2D 재료와 다른 기판 사이의 계면 접착 에너지(IAE)가 4점 굽힘 방법을 사용하여 정량화될 수 있음을 입증했습니다. 그런 다음 그들은 화학 기상 증착을 사용하여 2D 재료인 이황화 몰리브덴(MoS2)과 그래핀을 성장시켰습니다.

그 후, 그들은 넓은 표면적에 걸쳐 재료의 IAE 값에 대한 본질적인 재료 결함의 영향을 연구했습니다. 재료와 기판 사이에 인터페이스를 형성하기 위해 그들은 궁극적으로 재료를 금속 또는 절연층으로 옮겼습니다.

Nguyen과 그의 동료들은 논문에서 "우리는 2차원 재료와 다른 기판 사이의 계면 접착 에너지가 4점 굽힘 방법을 사용하여 정량화될 수 있음을 보여줍니다."라고 설명했습니다. "우리는 이황화 몰리브덴/이산화 규소 계면이 0.2 J m−2의 계면 접착 에너지를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 이는 서로 다른 말단 화학 물질을 사용하여 자체 조립된 단층을 통합함으로써 0에서 1.0 J m−2까지 조절될 수 있습니다. 우리는 다음을 사용합니다. 이는 접착 에너지 차이와 물리적 에칭 공정을 기반으로 하는 접착 리소그래피 방법을 만드는 것입니다."