실리센을 이용한 트랜지스터

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

실리센(silicene)을 기반으로 하는 트랜지스터가, 미국 및 이탈리아 연구팀에 의해 처음으로 제조되었다. 본 연구결과는 Nature Nanotechnology지에 게재되었으며, 이 다루기 힘든 물질을 이용해 어떻게 트랜지스터를 제조할 수 있었는지 소개하고 있다. 실리센은 그래핀(graphene)처럼 원자 한 개 두께의 시트(sheet) 형태로 이루어진 실리콘으로, 뛰어난 전기적 성질을 가지고 있는 것으로 증명되었다. 때문에 더 소형화되고 다른 컴퓨터 칩을 제조하고자 하는 것과 같은 미래 전자기기에 유용하게 활용될 수 있음을 의미한다. 이 실리센의 문제점은 제조하기가 매우 어렵고 일단 얻어진 시트로 작업하는 것은 더욱 어렵다는 점이다. 물리학자인 Lok Lew Yan Voon이 실리센의 형성에 관한 이론을 발표한지는 8년 정도 되었으며, 그 이후로 여러 연구팀이 이 물질을 제조하려고 시도하였지만 성공을 이루지 못해왔다. 설사 합성에 성공했다손 치더라도 어떤 실용적 목적으로 사용하기에는 매우 까다롭다는 점을 발견하였다. 본 연구에서는 실리센을 제작하는 방법뿐만 아니라 소형 트랜지스터를 제조할 수 있을 정도로 실리센을 용이하게 활용하는 방법을 소개하고 있다. 이 나노시트를 얻기 위해, 연구팀은 매우 얇은 은 베이스 위에 실리센 시트를 얻고 그 상부에 산화 알루미늄(aluminum oxide)이 위치하도록 하였다. 일단 성장되면, 실리센 시트는 베이스에서 벗겨내어 이산화실리콘 웨이퍼 상에서 실리센이 바닥 방향으로, 산화 알루미늄이 상부 방향으로 위치하도록 놓는다. 그런 다음에 은을 처리하여 트랜지스터로 활용될 수 있도록 전기적 접점을 만들어간다. 연구팀은 이런 트랜지스터 몇 개를 제조하였으며, 진공 상태에서 사용될 때 안정성을 유지한다고 밝혔다. 또한 이론상 수치에 근접한 정도로 실리센의 성능이 나타났다고 보고하였다. 비록 연구팀은 기술적으로 실리센을 기반으로 하여 트랜지스터를 제작하였지만, 상업적 규모에서도 이 공정이 유효할지는 아직 미지수이다. 이를 위해서는 더 많은 연구가 수행되어야 한다. 만약 상업적 규모에서도 응용할 수 있게 된다면, 실리센은 이미 사용되고 있는 실리콘 기반의 디자인을 활용할 수 있기 때문에 그래핀보다 미래 전자기기에 더 쉽게 응용 가능할 것으로 기대되고 있다. [초록] 그래핀과 유사한 실리콘 일종인 실리센은 벌집(honeycomb) 격자 구조이며 민감한 표면을 가진 디렉 밴드구조(Dirac bandstructure)로 인하여, 넓은 조정성을 가진 2차원 단일층을 제공할 수 있어서 미래 나노전자기기를 위한 밴드갭 및 밴드 특성과 같은 근본적인 성질에 영향을 주기 위한 계면의 상호작용 및 외부장에 활용할 수 있다. 양자 스핀홀 효과(quantum spin Hall effect), 키랄 초전도성(chiral superconductivity), 거대 자기저항(giant magnetoresistance) 및 다양한 이색적인 상태들은, 단일층 실리센에서 이미 예측된 바 있다. 실리센의 에피택셜 합성 및 전자 특성에 대한 연구에도 불구하고, 실리센의 안정성 문제로 인해 실험실적인 실리센 기기에 대한 보고는 아직 없었다. 연구팀은 실리센 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor)를 소개하고 있다. 소개된 연구결과들은 연구팀이 개발한 growth–transfer–fabrication 공정을 통해 가능하였다. 본 방법은 제조 과정에서 실리센을 보존하고자 하는 난제를 해결해 주었으며, 게르마넨(germanene) 및 포스포렌(phosphorene)과 같은 공기에 민감한 2차원 물질을 취급하는데 활용될 수 있다. 실리센이 벌크 실리콘과 유사한 성질을 가지고, 그래핀이나 다른 2차원 반도체와 비교해 저온 합성이 가능하므로, 반도체 기술에 더욱 직접적으로 응용할 수 있을 것이다. 그림 1> 실리센과 synthesis–transfer–fabrication 공정을 개략적으로 보여주는 그림. (a) 실리센의 벌집 격자(buckled honeycomb lattice) 구조. (b) SEDNE(Silicene encapsulated delamination with native electrode)로, 다음의 중요한 단계를 포함하고 있다. 결정성 은 박막 상에 실리센의 에피택셜 성장과 Al2O3 capping이 동시에 이루어지며, 박리 형태로 실리센 물질을 전이시키며, 후면 게이트 실리센 트렌지스터(back-gated silicene transistor)를 위한 접점을 형성하고 있다.  그림 2> 박리된 실리센 필름 스택. 기질 상에서 성장시킨 후 박리된 Al2O3/silicene/Ag의 (a)광학 및 (b)원자힘 현미경 영상  원문정보: Silicene field-effect transistors operating at room temperature, Nature Nanotechnology (2015) DOI: 10.1038/nnano.2014.325 silicene.jpg stack.jpg http://phys.org/news/2015-02-team-transistors-silicene.html