2차원 반도체 반데르발스 이종구조 기반의 전자소자 및 광전자소자

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2차원 반도체 반데르발스 이종구조 기반의 전자소자 및 광전자소자

글 _ 이동훈, 이철호 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 2차원 물질 : 합성부터 응용까지

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1. 서론

2차원 물질은 평면방향으로는 강한 공유결합(covalent bond)으로 이루어져 있으며 수직 방향으로는 약한 반데 르발스(van der Waals)결합으로 이루어져 있는 층상 구 조를 공통적으로 가지고 있다. 이러한 결합 특성으로 인 해 층간의 분리가 용이하여 면적은 수 mm² 에서부터 수 mm² 이상까지 크고 두께는 원자수준의 얇은 물질로 존 재할 수 있다. 2004년에 테이프를 이용한 기계적 박리법 (mechanical exfoliation)으로 영국 맨체스터대학에서

처음으로 대표적인 2차원 물질인 그래핀(graphene)을 발견한 이래로 세계 우수 연구진들에 의해 그래핀의 차세 대 전자소자로의 응용가능성에 대한 많은 연구들이 진행 되어 왔다.¹⁾

그래핀은 상온에서 10⁵ cm²V^-1s^-1의 아주 높은 전하 이 동도(mobility) 뿐만 아니라 유연하고 투명한 특성을 가 졌지만 에너지 밴드갭(bandgap) 없어 트랜지스터(transistor), 태양전지, 발광소자 등과 같은 반도체 소자 응용 에 제한이 있었다. 그래핀의 이러한 단점을 해결하기 위 해 그래핀을 식각하여 나노리본 형태로 만들거나 수직방

Fig. 1. 다양한 2차원 물질의 결정 및 밴드 구조와 이를 이용한 반데르발스 이종구조 기반의 전자소자 및 광전자소자

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향으로 매우 큰 전기장을 걸어주어서 그래핀의 밴드갭을 형성시키는 연구들이 진행되어 왔지만 실험적으로 구현 하기 어렵다는 것과 밴드갭을 원하는 만큼 크게 증가시키 기 어렵다는 근본적인 단점이 있었다. 이러한 이유로 최 근에는 다수의 연구진들은 그래핀의 밴드갭을 조절하려 는 노력보다는 기본적으로 밴드갭을 가지고 있는 2차원 반도체 물질에 관심을 가지기 시작하였다. 2010년에 1.8 eV의 밴드갭을 가지는 2차원 물질인 MoS2가 기계적 박 리법으로 발견된 후 2차원 반도체의 미래소자로의 응용 가능성을 높여 최근까지 다양한 물질에 대한 연구가 활발 히 진행되고 있다.²⁾ 더 나아가 최근에는 밴드갭이 수 meV에서 수 eV까지 다양한 2차원 물질이 실험적으로 발 견되고 있다.³⁾ 이론적으로는 6백개 이상의 안정적인 2차 원 물질이 자연계에 존재할 수 있다는 것이 밝혀졌다.⁴⁾ 기존 벌크 물질을 이용하여 구현된 여러 복합구조를 2차 원 물질로 구현하게 되면 벌크 물질에서 볼 수 없었던 새 로운 과학적 현상을 관찰할 수 있으며 기존기술로 구현하 기 힘들었던 구조도 2차원 물질을 이용하면 손쉽게 구현 할 수 있다는 장점이 있다. 본 보고에서는 수 원자 층 두 께를 가지는 2차원 물질 기반의 반데르발스 이종구조 제 작 및 반도체 소자로의 응용에 관해 중점적으로 논의하고 자 한다. (Fig. 1)

1.1 2차원 반도체 물질의 종류 및 기본적인 특성 2차원 반도체 물질 중 가장 많이 연구되고 있는 전이금 속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides, 이하 TMDC)은 전이 금속(주기율표상 IV 족–VII 족 원 소)의 원자 면이 칼코겐 원자(S, Se 및 Te)의 두 원자 면 사이에 끼여 있는 형태로 MX2의 조성을 갖는 화합물이 다. (Fig. 2)^2,5,6) 이러한 물질들은 평면에 수직 방향으로 약한 반데르발스 힘에 의해 결합되어 층상 구조로 되어있 다. TMDC는 화학 조성, 결정 구조 및 층수에 따라 다양 한 전기적 및 광학적 특성을 갖는다. 예를 들어, 그룹 V 족(V, Nb 및 Ta) 물질들로 구성된 TMDC는 금속 특성을 나타내며, 그룹 VI족(Mo 및 W) 물질들로 구성된 TMDC 는 일반적으로 반도체 특성을 나타낸다. 또한, 동일한 조 성의 경우에도, 팔면체 형태의 정방정계 구조를 가지는

MoS2(1T 상)의 경우 금속 특성을 나타내며, 삼각기둥 형 태의 육방정계 구조를 가지는 MoS2(1H 상)의 경우 반도 체 특성을 나타낸다. 이들 중, 반도체 특성을 가지는 2H 상이 열역학적으로 보다 안정하다. 상대적으로 불안정한 상인 1T 상은 2H 상을 화학적 처리 혹은 레이저조사에 의 해 만들어질 수 있으며 2H 상의 MoS2의 국부적인 영역 을 1T 상으로 변화시켜 소자를 제작하면 2H 상과 1T 상 사이의 접촉저항을 200 Ωμm로 매우 낮출 수 있다.⁷⁾

VI 족 물질로 구성된 반도체성 TMDC는 구성 원소 및 조성에 따라 1–2 eV의 다양한 밴드갭을 가지고 있다. 밴 드갭이 클수록 낮은 off상태 전류를 가질 수 있기 때문에 적절한 TMDC를 선택함에 따라 높은 스위칭 비율(on- off ratio)을 가지는 전자소자를 제작할 수 있다. 2011년 최초로 단층의 MoS2로 제작한 전계효과 트랜지스터 (field-effect transistor)에서 on/off ratio가 10⁸으로 우수한 스위칭 거동 보여주었다. 이러한 우수한 스위칭 특성에도 불구하고, TMDC 기반의 전계효과 트랜지스터 는 전하들이 높은 유효 질량을 가지기 때문에 그래핀 대 비 훨씬 낮은 전하 이동도를 보여준다. 이론적으로는 단 층의 MoS2, MoSe2, WS2 및 WSe2에 대해 각각 354, 269, 1739 및 1083 cm²V^-1s^-1의 전자 이동도를 가질 수 있음이 보고 되었다.⁸⁾ 하지만 실험적으로 보고 된 전이금 속 칼코겐 화합물의 이동도는 이론적으로 예측 된 값보다 훨씬 작다. 이는 TMDC와 전극간의 접촉 저항 및 불순물 산란에 의해 전하의 이동이 방해 받기 때문이다. 미래 전 자소자에서 2차원 물질이 기존의 벌크 반도체 물질을 대 체하기 위해서는 소재 자체의 품질 및 금속과의 접촉저항 등을 개선하는 연구들이 선행되어야 할 것이다.

앞서 말했듯이 원자 배열에 따른 전기적 특성이 달라지 는 것뿐만 아니라, TMDC는 층의 수에 따라 전자 밴드 구 조가 바뀌게 된다. 두께가 감소함에 따라 양자구속효과 (quantum confinement effect)에 의해 밴드갭 크기가 증가하며 두 층 이상에서는 간접 천이형(indirect transition) 밴드갭을 가지지만 단층에서는 직접 천이형 (direct transition) 밴드갭으로 변화하게 된다. (Fig. 2) 이러한 특성 때문에 발광소자에서 단층의 TMDC가 유용 하게 쓰일 수 있다. 그 외에도, 단층의 TMDC는 강한

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광-물질 상호 작용, 큰 엑시톤 결합 에너지, 계곡 분극 (valley polarization) 등을 포함하는 우수한 광학 특성을 가지며 이들 단층의 TMDC들로 수직형 이종 구조를 제작 하면 고성능의 광소자를 구현할 수 있다.

2차원 반도체 물질 중 흑린(black phosphorus)은 그 래핀과 TMDC와는 다른 밴드 특성과 에너지 스펙트럼을 가지기 때문에 최근 많이 연구되고 있다. (Fig. 2)^9,10) 흑 린은 그래핀과 유사하게 인(P) 원자의 단일 원소로 구성 된 층상 구조를 가지고 있다. 흥미롭게도, 흑린은 방향과 두께에 따라 다른 전기적 특성을 나타낸다. 예를 들어, 안 락의자 방향(armchair direction)의 전기 전도도는 지그 재그방향(zigzag direction)의 전기전도도에 비해 1.5배 정도 더 높다. 또한, 안락의자 방향의 정공(hole)의 유효 질량이 작기 때문에 안락의자 방향의 이동도는 1,000 cm²V^-1s^-1으로 지그재그 방향으로의 정공의 이동도인 600 cm²V^-1s^-1보다 높다. 육방정계 질화붕소(hexagonal Boron Nitride, 이하 h-BN)사이에 적층된 수 층 두께의 흑린은 6,000 cm²V^-1s^-1의 높은 높은 이동도를 가질 수 있음이 보고되었으며, 이러한 구조에서 양자 홀 효과를 관찰할 수 있었다.¹¹⁾ 또한 흑린은 두께에 따라 0.3–2.0 eV의 밴드갭을 가지기 때문에 높은 on/off ratio인 10³- 10⁵을 가진다. 두 층 이상에서는 간접 천이형 밴드갭을 가

지는 TMDC와는 달리, 벌크 형태로도 직접 천이형 밴드 갭을 가지기 때문에 광학 및 광전자 소자에 매우 유용하 게 쓰일 수 있다.

2. 반데르발스 이종구조

2.1 반데르발스 이종구조의 특징

2차원 물질의 표면에는 불포화결합(dangling bond)이 없고 원자 층 수준으로 매우 평탄하기 때문에 다양한 2차 원 물질들의 수직방향 적층을 통해 층간에 약한 반데르발 스 결합으로 형성된 2차원 반데르발스 이종구조를 제조 할 수 있다. 이들 구조는 다음과 같은 다양한 특징을 가질 수 있다. 첫 째, 서로 다른 격자상수, 결정구조를 가지고 있는 물질로 이종구조를 만들 시에도 층과 층 사이에 strain이 발생하지 않아 원자층 수준에서 어떠한 결함도 없는 매우 깨끗한 계면을 가질 수 있게 된다. 둘 째, 이종 구조를 이루는 물질간의 결정방위에 따라 물리적, 광학적 특성이 달라지기 때문에 결정방위를 조절함에 따라 새로 운 특성을 구현할 수 있다. 셋 째, 층과 층 사이에 공유겹 합이 없어 이종구조 형태에서도 매우 유연한 특성을 가지 게 된다. 넷 째, 매우 다양한 물질 군이 존재하여 근적외 선, 가시광선, 자외선 영역에서 동작하는 광전자 소자를

Fig. 2. 전이 금속(M)과 칼코겐 원자(X)로 구성된 MX2 조성을 가지는 2차원 층상화합물의 (a)결정구조 및 (b)두께에 따른 밴드구조,^2,5,6) 인원자 (P)로 구성된 흑린의 (c)결정구조 및 (d)두께에 따른 밴드구조^9,10)

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설계하고 제작하기에 용이하다. 마지막으로 표면에 불포 화결합이 없어 기존의 유기물 반도체 대비 전하의 이동도 가 높은 특성을 가지고 있다. 이종구조 소자에 있어서 2 차원 물질의 이러한 독특한 여러 이점들로 인해 2차원 반 도체 반데르발스 이종구조를 이용한 혁신적인 기능소자 를 제작하는 연구가 다수 보고되었다.

2.2 반데르발스 이종구조의 제작방법

반데르발스 이종구조 제작을 위해 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 방법은 습식전사(wet-transfer)법이다.

(Fig. 3)¹²⁾ 하부 지지막 (또는 기판) 위에 2차원 물질을 합 성하거나 기계적 박리법으로 만든 후 2차원 물질 표면에 투명한 지지막을 코팅한 뒤, 하부 지지막을 녹여서 상부 지지막에 붙어 있는 형태로 2차원 물질을 하부 지지막으 로부터 분리시킨다. 상부 지지막을 다른 2차원 물질에 위 치를 맞춰서 옮겨 붙인 뒤, 상부 지지막을 제거하는 과정 을 거치면 서로 다른 두 개의 2차원 물질로 이루어진 이 종구조를 만들 수 있게 된다. 이 과정을 여러 번 반복하면 다양한 물질로 구성된 이종구조를 제작할 수 있게 된다.

이 방법은 다양한 물질 및 구조에 적용 가능한 장점이 있

는 반면 전사 과정에 용매와 지지막의 잔여물이 남아있을 수 있어 계면이 깨끗하지 않을 수 있다. 계면 특성을 개선 하기 위해서는 후속 열처리 공정이 필요하다는 단점이 있 다. 지지막 코팅 및 지지막의 식각과정에서 생기는 불순 물의 영향을 최소화하면서 이종구조를 만들기 위해서는 건식전사(dry-transfer)법을 이용하게 된다. 2차원 물 질간의 반데르발스 인력을 이용하여 상부지지막에 붙어 있는 2차원 물질에 다른 2차원 물질을 부착하여 떼어내 는 방법이다. 이 과정을 반복하게 되면 매우 깨끗한 계면 을 가지는 이종구조를 제작할 수 있다는 장점이 있다. 이 러한 깨끗한 공정을 통해 상온에서 140,000 cm²V^-1s^-1의 매우 높은 전하 이동도를 가지는 그래핀 트랜지스터를 제 작한 연구가 보고된 바 있다.

앞서 언급한 전사법과 달리 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 이용하면 2차원 물질을 수직방향 의 이종구조뿐만 아니라 수평방향의 이종구조도 만들 수 있다. 수직방향의 이종구조를 합성하면 반데르발스 상호 작용에 의해 이종구조를 구성하는 두 물질 간에 일정한 방위관계를 가지게 되며 계면이 매우 깨끗한 계면을 가질 수 있다는 장점이 있다. 2차원물질은 수평방향으로는 공

Fig. 3. 2차원 물질 기반의 반데르발스 이종구조 제작방법. (a)습식전사 및 (b)건식전사와 (c)합성법의 모식도¹²⁾

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유결합으로 이루어져 있어 수평방향으로의 이종구조는 합성법으로만 형성할 수 있다. 예를 들면, 그래핀/h-BN 구조 및 서로 다른 2차원 반도체물질의 수평방향 이종구 조를 합성법을 이용하여 제작하는 연구가 보고된 바 있 다.^13,14)

3. 2차원 물질 기반의 반데르발스 이종구조 전자소자 및 광전자소자

3.1 전계효과 트랜지스터

원자층 두께의 2차원 물질을 채널층으로 사용하는 트 랜지스터의 경우, 게이트 절연체 계면에 존재하는 전하에 의한 산란(scattering)으로 인해 소자 성능이 심각하게 저하된다. 2차원 절연체인 h-BN은 기존의 SiO2와는 달 리 표면에 불포화결합 및 전하 트랩이 존재하지 않고 원 자 수준으로 매우 평탄하고 매끄러운 표면을 가지기 때문 에 h-BN과 그래핀의 이종구조를 만들어서 매우 높은 전 하 이동도를 가지는 소자를 제작한 연구가 보고되었다.

매우 깨끗한 계면 특성으로 인해 제작된 그래핀 소자는 전하 이동도가 40,000 cm²V^-1s^-1로 높은 값을 나타낸다.

2013년 미국 컬럼비아 대학에서는 h-BN/그래핀/h-BN 이종접합 구조 및 식각으로 노출된 그래핀의 1차원 모서 리에 금속전극을 접촉시키는 소자 구조를 만들어서 그래 핀의 전하 이동도를 200,000 cm²V^-1s^-1까지 향상시킬 수 있었다.¹⁵⁾ 비슷한 구조로 h-BN을 하부 기판으로 그래핀

을 전극으로 사용한 MoS2 소자에서는 게이트 이력(gate hysteresis)이 없고 단일 층에서 45 cm²V^-1s^-1 의 높은 이 동도를 보여주었다.¹⁶⁾ 또한, 온도가 낮아짐에 따라 이동 도가 증가하고 이론적 예측 치에 근접하는 것을 관찰함으 로써, 채널층 및 계면에서 불순물에 의한 산란을 억제할 수 있다는 것을 증명하였다.

3.2 터널링 트랜지스터

금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)가 디지털 집적 회로에 광범위하게 사용되어 왔지만, 차세대 전자소자를 위해서는 저전력 소비, 빠른

Fig. 4. 2차원 물질 기반 반데르발스 이종구조를 이용한 터널링 다이 오드의 (a)모식도 및 (b)역방향 다이오드, (c)Esaki 다이오드, (d)정류다이오드의 전기적 특성¹⁷⁾

Fig. 5. 2차원 물질 기반 반데르발스 이종구조를 이용한 터널링 소자의 (a)모식도 및 (b)밴드구조와 (c)게이트 전압에 따른 전기적 특성,¹⁸⁾ 2차 원물질과 3차원 물질의 이종구조를 이용한 터널링 소자의 (d)모식도 및 (e)밴드구조와 (f)게이트 전압에 따른 전기적 특성²⁰⁾

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스위칭 속도를 갖춘 새로운 동작원리를 가지는 고성능 소 자의 개발이 요구된다. 이러한 산업적 요구에 맞춰서 터 널링 전계 효과 트랜지스터는 작은 구동 전압으로 낮은 누설 전류 및 높은 on/off ratio를 가지는 소자를 구현할 수 있기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 2차원 물질 반데 르발스 이종구조 기반의 터널링 소자는 불포화결합이 없 는 원자 수준의 얇은 두께와 깨끗한 계면을 가지므로 매 우 빠른 구동속도를 가질 수 있다. 서로 다르게 도핑 된 두 개의 2차원 반도체 물질을 수직으로 적층하면 반데르 발스 이종구조 기반의 터널링 소자를 제작할 수 있다. 전 하 농도를 독립적으로 제어하기 위해 두개의 분리 된 게 이트 전극을 갖는 MoS2/WSe2 로 구성된 터널링 소자를 제작하면 상부와 하부의 게이트 전압의 크기에 따라 역방 향 다이오드, Esaki 다이오드 또는 정류 다이오드로 동작 할 수 있다. (Fig. 4)¹⁷⁾ 또한, 2012년 영국 맨체스터 대학 에서는 2차원 물질이 원자층 수준으로 매우 얇게 존재할 수 있다는 점을 이용하여 2차원 절연체 물질을 터널링막 으로 사용하여 그래핀의 낮은 on-off ratio를 증가시키 는 연구를 보고하였다. (Fig. 5)¹⁸⁾ 상단 및 하단 그래핀 층 사이에 h-BN 또는 MoS2와 같은 1nm 수준의 얇은 터널 장벽으로 구성된 반데르발스 이종구조를 제작하였다. 이 러한 구조의 소자는 터널링장벽의 물질 종류에 따라 50 에서 10,000까지의 높은 on-off ratio를 나타낸다. 터널 장벽으로 4-5 층의 WS2로 구성된 매우 유사한 소자 구

조를 제작한 연구보고에서는 상온에서 10⁶의 매우 높은 스위칭 비율을 보였다.¹⁹⁾ 그럼에도 불구하고 전하 수송이 수직 방향으로의 양자 터널링 및 열이온 방출에 의해 기 인되기 때문에 subthermionic subthreshold swing을 60 mV/dec 미만으로 달성하는 것이 어렵다. 이러한 제 한은 밴드간 직접 터널링을 기반으로 하는 소자 구조에서 해결 될 수 있다. 2015년 미국 캘리포니아대학교 연구진 들은 Ge의 가전도대 밴드에서 MoS2의 전도대 밴드로 전 자가 양자 터널링하는 원리를 이용하는 수직형 이종구조 기반의 터널링 소자를 실험적으로 구현하였다. (Fig.

5)²⁰⁾ 이 구조에서 달성 된 가장 낮은 subthermionic subthreshold swing은 3.9 mV/dec이며, 이는 열이온 방출에 기인한 소자에서 이론적 한계 최저치인 60 mV/

dec보다 훨씬 작다.

3.3 비휘발성 메모리 소자

2차원 물질을 이용한 비휘발성 메모리 소자는 수직형 반데르발스 이종구조에 플로팅 게이트(floating gate) 역 할을 하는 원자 층 두께의 얇은 전하 트래핑(charge trapping) 층을 도입하여 구현되었다.^21,22) 성균관대학교 와 컬럼비아대학교 합동 연구진들은 2차원 물질 기반의 반데르발스 이종구조를 이용한 두 가지 유형의 메모리 소 자를 보고하였다. (Fig. 6)²³⁾ 첫 번째 구조의 소자는 채널 로 그래핀, 터널 장벽으로 h-BN, 전하 트래핑 층으로

Fig. 6. 2차원 물질 기반 메모리 소자의 (a)모식도 및 (b)밴드구조와 (c)게이트 전압에 따른 전기적 특성,²⁴⁾ 2차원 물질 기반 이단자 메모리 소 자의 (d)모식도 및 (e)밴드구조와 (f)게이트 전압에 따른 전기적 특성²⁵⁾

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MoS2를 이용하였다. 그래핀은 큰 게이트 이력곡선(~20 V)을 보여 주지만, 밴드갭이 없어 매우 낮은 on-off ratio(~2)가 나타났다. 채널층으로 MoS2를 사용하고 트 래핑 층으로 그래핀을 사용한 다른 유형의 메모리 소자는 상대적으로 높은 스위칭 전류 비율(~10⁵), 큰 이력곡선 (18 V) 및 낮은 동작 전압(50 mV)을 보여 주었다. 이들 소자의 특성은 유기 트랜지스터 메모리 소자와 비교했을 시 더 좋은 성능을 나타낸다. 또 다른 연구진들은 MoS2

를 채널로, 그래핀을 플로팅 게이트로, h-BN을 터널 장 벽으로 사용하는 메모리 장치를 개발하였다.²⁴⁾ 이 구조에 서는 드레인 전극과 그래핀 사이의 h-BN은 전하가 터널 링을 통해 이동할 수 있지만 그래핀에서 소스 전극으로는 전위차가 작아서 전하가 h-BN을 통과할 수 없다. 이를 통해 플로팅 그래핀에 전하가 터널링을 통해 효율적으로 저장되어 10^-14 A의 낮은 off 상태 전류와 10⁹의 높은 on- off ratio를 나타낸다.

3.4 광검출 소자

벌크 물질과 다른 독특한 전자 밴드 구조와 강한 빛-물 질 상호 작용으로 인해 2차원 반도체는 효율적인 광검출 소자로 사용될 수 있다. 이를 이용한 초기 연구에서는 개 별 2차원 반도체 물질을 기반으로 하는 고감도의 광응답 트랜지스터를 제작하였다. 채널층에서 전하의 이동성을 높이고 금속전극과 채널층 간의 접촉저항을 낮춤으로써

MoS2로 구성된 광응답 트랜지스터는 880 AW^-1의 매우 높은 광 응답율을 보여 준다.²⁵⁾ 이는 상업적으로 사용되 고 있는 실리콘 기반의 광 검출기보다 800배 이상 높은 값이다. 또한 두 개의 그래핀 전극 사이에 샌드위치된 광 활성 TMDC 층으로 구성된 수직 적층형 2차원 광 검출기 가 맨체스터 대학의 연구원에 의해 처음으로 시연되었다.

(Fig. 7)²⁶⁾ 이 구조에서는 상부와 하부에 서로 다른 게이 트 전압을 인가하여 TMDC의 광 여기 된 전자-홀 쌍이 상부와 하부로 쉽게 분리될 수 있다. 이러한 현상으로 수 직형 이종구조의 넓은 접합 면에 걸쳐 효율적인 광전류를 생성 시킬 수 있다. 또한, 두꺼운 WS2로 만든 구조에서 0.1 AW^-1의 광 반응성과 30 %의 외부양자효율(external quantum efficiency)을 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 단층의 MoS2 소자가 다층의 MoS2 소자보다 높은 광 반 응성을 보여 준다. (Fig. 7)²⁷⁾ 이는 광 흡수층인 MoS2와 전하 이동층인 그래핀 전극 사이에 형성된 비대칭 포텐셜 장벽으로 인해 광 여기 된 전자가 한 방향으로 우세하게 터널링 되기 때문이다. 단일 층 MoS2에서 1.96 eV에서 2.5 %의 외부양자효율이 나타났고 이는 일곱 층으로 구 성된 MoS2에서 측정된 0.3-0.4 %보다 10배 가량 높다.

최근 미국 컬럼비아대학에서는 단일 층 n-MoS2와 p-WSe2로 구성된 2차원 반도체 p-n 접합 다이오드의 전기적 및 광전기적 특성을 보고했다. (Fig. 7)²⁸⁾ 2차원 물질처럼 매우 얇은 물질로 구성된 p-n 접합에서는 광여

Fig. 7. 다양한 구조의 2차원 물질 기반 광검출 소자의 입사광 에너지에 따른 외부양자 효율^27,28,29)

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기 된 후 분리된 전자와 정공이 층간의 양자 터널링을 통 해 재결합 될 수 있다. 이러한 과정을 통해 광전자효율이 떨어진다는 것을 발견하였다. 또한, 2차원 물질의 두께에 따라 2.4%(단층), 12%(두층) 및 34%(다층)의 외부양자효 율을 보인다. 이러한 결과는 매우 효율적이고 빠른 광전 자변환 소자에서 2차원 반도체 이종구조의 적용 가능성 을 보여준다.

3.5 발광소자

단층 TMDC 및 흑린 등 직접 천이형 밴드갭을 갖는 2 차원 반도체는 높은 발광 효율, 큰 엑시톤 결합 에너지 및 넓은 범위의 색 변환가능성 때문에 광검출 소자 뿐만 아 니라 발광다이오드(light-emitting diode, LED) 및 레 이저(LASER)와 같은 발광소자에 유용 할 수 있다. 효율 적인 2차원 물질기반 발광소자는 수직형 양자 이종구조 에서 구현되었다. 영국 맨체스터 대학에서는 금속성 그래 핀, 절연체 h-BN 및 다양한 반도체 단층 TMDC를 적층 하여 발광 소자를 제조했다. (Fig. 8)²⁹⁾ 특히, h-BN 장 벽과 TMDC 우물로 구성된 양자 우물(quantum well)을 도입하여 소자에서 효과적인 전하 구속 및 효율적인 발광 을 가능하게 했다. 극저온(6K)에서 측정 된 외부양자효 율(소자에 주입 된 전하 수와 방출 된 광자 수의 비율)은 단층, 3층 및 4층 양자 우물로 구성된 구조에서 각각 1 %,

6 % 및 8.4 %로 나타났다. 최근에 동일한 연구 그룹에서 단일 층 WSe2 기반의 발광 소자에서 외부양자 효율이 상 온에서도 5 %까지 됨을 보고하였다. 이는 앞선 연구에서 MoS2로 구성된 소자와 비교하면 250배 높은 값이다.³⁰⁾ Fig. 8 아래의 표는 여러 단일 층 TMDC에 대하여 보고 된 최대 외부양자효율을 요약 한 것이다. 이러한 결과는 2차원 물질의 밴드구조를 적절히 제어하면 고효율 면발 광 소자에 사용될 수 있음을 시사한다.

4. 맺음말

지금까지 2차원 반도체 물질의 성질 및 이들의 반데르 발스 이종구조를 이용한 다양한 전자 및 광전자소자 응용 에 대해 살펴보았다. 2차원 물질의 고유한 성질로 인하여 기존의 3차원 벌크 물질로는 구현하기 어려운 독특한 이 종접합 구조 및 새로운 특성을 나타내는 소자를 2차원 물 질을 조립하여 손쉽게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 아 직까지는 2차원 물질에 대한 연구가 걸음마 단계이기 때 문에 기초연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 향후 대 면적 소재 합성, 전사 및 이종구조 제조 기술과 도핑 및 밴드갭과 같은 물성 조절 기술의 개발이 병행된다면, 고 성능, 저전력의 차세대 반도체 소자에 2차원 물질을 적용 할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 2차원 물질이 가지는

Fig. 8. 2차원 물질 기반 발광소자의 (a)모식도 및 (b)밴드구조와 (c)발광특성,³⁰⁾ (d)2차원 물질 기반 발광소자의 물질에 따른 발광특성

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기계적 유연성, 광학적 투명성을 이용하면 웨어러블 전자 기기, 스마트 유리(또는 윈도우)와 같은 새로운 분야에도 적용될 수 있을 것이다.

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 이 동 훈

 2008년 포항공과대학교 신소재공학과 학사

 2012년 포항공과대학교 신소재공학과 박사

 2012년-2013년 연세대학교 신소재공학과 박사후연구원

 2013년-2014년 포항공과대학교 신소재공학과 박사후연구원

 2014년-2016년 삼성전자 반도체연구소 책임연구원

 2016년-현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 연구교수

 이 철 호

 2005년 포항공과대학교 신소재공학과 학사

 2011년 포항공과대학교 신소재공학과 박사

 2011년-2014년 컬럼비아 대학 물리학과 박사후연구원

 2014년-현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 조교수