2차원 재료(2D Materials)란?

원자 1층에서 수 층의 두께로도 안정적으로 존재하는 층상 물질. MoS2 같은 반도체는 실리콘으로는 어려운 매우 얇은 채널을 만들 수 있어, 미래의 극미세 트랜지스터를 위해 연구되고 있다.

일본어 명칭: 2次元材料

2차원 재료(2D Materials)은(는) 에피택셜 성장, 첨단 트랜지스터(FinFET과 GAA), 식각 등 3개 분야의 연습 문제 3개에 나와요.

2차원 재료란

2차원 재료는 각 면 안에서는 원자가 강한 공유 결합으로 이어지고, 면끼리는 약한 반데르발스 힘으로 붙어 있는 층상 결정에서 1층이나 몇 층을 떼어 낸 것입니다. 대표적인 예는 그래핀(탄소), 육방정 질화붕소(hBN, 절연체), 그리고 반도체인 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)입니다. TMD는 몰리브데넘이나 텅스텐 같은 전이 금속과 황이나 셀레늄 같은 칼코겐을 조합한 것으로, MoS2 1층의 두께는 약 0.65 nm입니다. 그래핀에는 밴드갭이 없으므로, 트랜지스터 채널의 주된 후보는 TMD입니다.

극박 채널에 적합한 이유

단채널 효과를 억제하려면 게이트 길이에 비해 얇은 채널이 필요합니다. 실리콘을 수 nm 이하로 얇게 하면 표면 거칠기에 의한 산란으로 이동도가 크게 떨어지고, 작은 두께 편차로도 문턱 전압이 변합니다. 2차원 재료는 표면에 댕글링 본드가 없고 층의 두께가 재료로 정해지므로, 1 nm 미만에서도 반도체의 성질을 유지합니다. 그래서 나노시트 GAA나 CFET의 채널을 더 얇게 하는 후보로, n형에는 MoS2, p형에는 WSe2가 연구되고 있습니다.

어려운 콘택과 게이트 절연막

금속 전극과의 높은 접촉 저항은 2차원 재료 트랜지스터의 큰 문제였습니다. 2021년에 MIT, TSMC, 국립대만대학 등의 연구진은 반금속인 비스무트를 콘택에 쓰면 단층 MoS2에 대한 접촉 저항이 크게 줄어든다고 보고했습니다. 한편 댕글링 본드가 없다는 점은 게이트 절연막의 형성에는 불리하게 작용하여, 원자층 증착(ALD)의 전구체가 표면에 잘 흡착되지 않아 high-k 막이 균일하게 자라지 않으므로, 시드층 등의 방법이 연구되고 있습니다.

양산을 향한 과제

300 mm 웨이퍼 전체에 결함이 적은 균일한 단층막을 형성하는 것은 아직 어렵고, 다른 기판 위에서 고온으로 성장시킨 막을 전사하면 주름, 오염, 찢어짐이 문제가 됩니다. p형에서 좋은 성능을 얻는 것과, 실리콘처럼 도핑으로 전도를 제어하는 것도 과제입니다. 2020년대 중반 시점에서 2차원 재료 채널은 실리콘 나노시트 이후 세대를 위해 연구되고 있습니다.

도전해 보기: 2차원 재료(2D Materials) 관련 문제

그래핀 등의 2차원 재료로 덮은 기판 위에 결정을 성장시키고, 성장한 막을 기판에서 떼어내 기판을 재사용할 수 있게 하는 연구 단계의 기술은?

A리모트 에피택시
B열확산
C양극 접합

정답과 해설 보기

정답: A. 리모트 에피택시

리모트 에피택시에서는 기판을 1~2원자층의 그래핀 등으로 덮고 그 위에 결정을 성장시킵니다. 그래핀은 충분히 얇아 기판 원자의 전위가 스며 나와 기판의 결정 정보가 전달되어 단결정이 얻어지는 한편, 막과 기판은 화학 결합하지 않으므로 성장한 막을 테이프 등으로 쉽게 떼어내 기판을 재사용할 수 있습니다. 고가의 GaAs나 SiC 기판의 재사용이나 구부릴 수 있는 소자로의 응용이 기대됩니다.

자주 묻는 질문

그래핀은 왜 트랜지스터 채널로 쓰이지 않나요?

그래핀에는 밴드갭이 없어서, 게이트 전압으로 전류를 충분히 끌 수 없기 때문입니다. 로직 트랜지스터에는 밴드갭이 있는 MoS2나 WSe2 같은 전이 금속 디칼코게나이드가 연구되고 있습니다.

2차원 재료 채널은 매우 얇아도 왜 이동도를 유지하나요?

표면에 댕글링 본드가 없고 두께가 원자 수준에서 균일하므로, 극박 실리콘에서 보이는 표면 거칠기 산란과 두께 편차가 훨씬 약하기 때문입니다.

2차원 재료 트랜지스터의 주요 과제는 무엇인가요?

금속과의 접촉 저항, 게이트 절연막의 균일한 성막, 대면적의 저결함 막, p형의 성능, 도핑 제어입니다.

해설 속 2차원 재료(2D Materials)

MoS2 등 전이금속 디칼코게나이드는 원자 3개 분(약 0.65 nm)의 1층에서도 반도체 성질을 유지하는 2차원 재료입니다.
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