나노접합 부분을 결합시키는 반도체 납땜 재료

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

시카고 대학(University of Chicago), 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory)의 연구진은 chalcogenidometallate라고 불리는 화합물이 반도체 조각들을 서로 접합시킬 수 있는 이상적인 납땜 재료라는 것을 증명했다. 이 재료는 반도체를 오염시키지 않는다. 그래서 매우 작은 트랜지스터, 프린트할 수 있는 전자장치 및 광전자장치의 청정한 전기 접점을 만드는데 사용될 수 있을 것이다. 대부분의 사람들은 두 개의 금속 파이프를 서로 결합시키는 납땜에 대해서 잘 알고 있다. 이 기술은 두 개의 금속 사이에 접합할 수 있는 충전제 금속을 삽입한다. 땜납은 두 개의 금속보다 낮은 융점을 가지고 “접착제”로서 작용한다. 이 방법은 마이크로전자공합에서 일반적으로 사용되지만, 금속과는 달리 반도체의 특성들을 방해하는 일 없이 반도체 조각들을 서로 접합시킬 수는 없다. 반도체 계면의 전기적 특성들은 금속-금속 접합의 것보다 불순물과 구조적 결함에 훨씬 더 민감하다. 금속-금속 접촉은 옴 전도체(Ohmic conductor)로서의 역할을 하지만 쇼트키 배리어는 포집된 대전 캐리어 때문에 또는 페르미 준위가 제대로 정렬되지 않을 때 반도체-반도체 계면에서 형성된다. 불순물은 전자빔 리소그래피와 같은 기술을 사용해서 나노구조 위에 전기 접점을 만들 때 삽입된다. 이 프로세스는 비용과 시간이 많이 들고, 이 공정에 사용되는 레지스트(resist)와 용매는 샘플을 오염시키는 잔재물을 남긴다. 이런 문제들을 피하기 위해서, 납땜과 같은 “상향식(bottom-up)” 방법이 더 좋다. 그러나 이상적인 반도체 땜납의 구조 및 조성은 결합되는 반도체의 것과 매우 일치해야 한다. 이번 연구팀은 카드뮴, 납, 비스무스 기반의 chalcogenidometallates가 땜납으로서 적절하고, 이 재료들이 기술적으로 중요한 II-VI, IV-VI, V-VI 반도체를 접합시키는데 사용될 수 있다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 실험을 통해서 Na2Cd2Se3 땜납이 반도체의 전기적 특성들을 파괴하는 일 없이 CdSe 나노결정을 결합시킬 수 있다는 것을 증명했다. 이번 연구진은 납땜된 CdSe 나노결정으로 전계-효과 트랜지스터를 만들었고 그들의 전기 이동도를 측정함으로써 이것을 확인했다. 이번 연구진이 만든 전계 효과 트랜지스터는 210 cm2/Vs의 높은 전기 이동도를 가졌다. 이것은 용액 처리된 모든 무기물 반도체 전계 효과 트랜지스터의 것보다 더 높은 수치이고, 재료 속의 결정립계들이 전하 수송 병목 현상을 가지지 않는다는 것을 보여준다. 또 다른 실험에서, 이번 연구팀은 Na2CdTe2를 가진 CdTe 결정을 납땜하는데 성공했다. 새로운 납땜 기술은 반도체 공정을 용이하게 수행할 수 있게 한다. 그래서 세라믹과 폴리머와 동일한 방식으로 반도체를 처리할 수 있을 것이다. 예를 들어, 납땜은 몰드를 사용해서 반도체 분말들을 3차원 형상으로 만들 수 있고, 더 나은 인쇄 가능한 전자장치 및 광전자장치, 성형 가능하거나 3차원 프린트될 수 있는 광발전장치와 열전 재료를 만드는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Science에 “Composition-matched molecular solders for semiconductors”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.1260501). 그림. Na2CdTe2로 납땜된 CdTe 결정들. pic1.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59754