[신기술소개] 높은 전자 이동도를 갖는 SnS<sub>2-x</sub>Se<sub>x</sub> 박막 트랜지스터 제조

(1)

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 3, 2004…291

신·기·술·소·개

막이 신가스 환원환경에서도 높은 산소 투과율과 안정성을 보임으로써 산소 투과막으로서 우수한 특성을 나타내었다[Chemical Communication,

vol. 9, p. 1130(2004)].

높은 전자 이동도를 갖는 SnS 2-x Se x 박막 트랜지스터 제조

1940년대 미국의 Bell 연구소는 게르마늄(Ge) 을 사용, 세계 최초로 접합(sandwich) 형태의 트 랜지스터를 발명하였다. 1960년대까지 이 디자인 은 보다 단순한 형태인 금속산화물-반도체로 이 루어진 field-effect 트랜지스터(MOSFET)로 발 전하였다. 현재의 일반적인 컴퓨터는 최대 420만 개까지의 트랜지스터를 포함하고 있어 향후의 IT 산업에 있어서 트랜지스터의 소형화가 가장 중요 한 선결과제로 인식되고 있다. 이를 위해서는 기 존의 트랜지스터들에 비해 보다 넓은 면적을 갖는 silicon-based 고안 장치의 개발이 필수적이며 따 라서 박막 반도체(thin-film semiconductor)의 개 발에 많은 관심이 집중되고 있다.

IBM Watson 연구소의 Mitzi 박사팀은 최근 박막 반도체를 대량으로 저렴하게 생산할 수 있는 방법을 개발하였다고 발표하였다. Mitzi 박사팀은 chalcogenide 계열의 SnS

2

과 SnSe

2

을 히드라진 (hydrazine, N

2

H

4

)에 용해시킨 후, 이들 화합물을 저온에서 분해시켜가며 spin-coating 기술(접착기 면의 용액을 순식간에 회전시킴으로써 바깥쪽으로 펼쳐져 필름이 된다)로 박막을 제조하였으며, 이렇 게 얻어진 SnS

2-x

Se

x

박막을 이용, 트랜지스터를 만들었을 때, 각각 약 10

⁵

Acm

^-2

의 전류 밀도와 10cm

²

V

^-1

S

^-1

의 이동도를 가지고 있음을 확인하였

다. 높은 성능의 display생산에 트랜지스터를 적용 하기 위해서는 낮은 전류 누출 능력, 낮은 threshold 전압과 동시에 높은 전자 이동도가 요 구된다. 특히, 저가의 플라스틱을 접착 기면 재료 로 사용하는 공정에서는 제조공정의 온도가 적어 도 150℃보다 낮게 유지되어야 하는 문제가 추가 로 요구된다. 따라서, 비결정 규소와 다른 물질들 을 가능한 한 낮은 온도에서 증착시킬 수 있는 방 법의 개발은 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT)의 대량 생산을 성취하는데 있어서 우선적 으로 해결되어야 할 과제로 인식되어 왔다. 이를 위해 고진공 증착법, 용액상 침전법 등을 포함하 는 다양한 시도를 통해 초박막 필름을 제조하려는 연구가 지금까지 진행되어 왔다. 그러나 이들 방 법은 대부분 TFT의 대량 생산에는 적용할 수 없 는 한계를 가지고 있었다. 이번에 Mitzi 박사팀이 개발한 박막 트랜지스터의 전류밀도와 이동도는 지금까지 보고된 spin-coating 기술로 만들어진 TFT들에 비해 최소 10배 이상 클 뿐만 아니라 저온에서 그 제조가 가능하다는 점에서, 반도체

그림 1. 박막 트랜지스터의 횡단면. 게이트에 가해진 전압은 source로부터 drain으로의 전자 흐름을 조절 한다. (+) gate 전압은 전자를 반도체층의 바닥면으 로 전자를 유도하여 전도 channel을 만들며, 양쪽 연 결선에 전압차가 주어지면 전자는 source에서 drain 으로 이동하게 되며 따라서 전류가 channel을 통해 흐르게 된다. Mitzi 박사팀은 히드라진에 SnS₂과 SnSe₂을 용해, 상온에서 sping-coating한 후 120℃에 서 분해시켜 SnS_2-xSe_x박막 트랜지스터를 제조하였다.

(2)

292…NICE, 제22권 제3호, 2004

신·기·술·소·개

관련 산업의 비상한 관심을 끌고 있다.

SnS2, SnSe2과 같은 금속 chalcogenide들은 다 른 반도체 합성 출발 물질들에 비해 비교적 높은 안정성, 내열성, 그리고 높은 전자 이동도를 가지 고 있어 그 동안 TFT 제조 연구에 활발히 적용되 어 온 물질군 중의 하나이다. 그러나 다른 무기 화 합물들과 마찬가지로 chalcogenide화합물의 문제

는 박막으로의 가공(fabrication)이 쉽지 않은 점 이라 할 수 있는데, Mitzi 박사팀은 히드라진을 용 매로 사용, 예를 들면, SnS2을 용액상에서 (N2H5)4[Sn2S6]와 같은 염의 형태로 바꾸어줌으 로써, 균일한 두께를 갖는 박막을 연속적으로 생 산할 수 있었다[Nature, vol. 428, p. 269(2004)].