2차원 반데르발스 물질과 Ge 간의 이종에피택시 연구 - 최화용 (The Graduate School, Ajou University, 2024)
2004년 K. S. Novoselov와 A. K. Geim 등이 스카치 테이프 방법을 사용하여 단층 그래핀을 성공적으 로 분리한 후 2차원(2D) 재료에 대한 활발한 연구가 시작되었다. 이러한 그래핀은 높은 캐리어 이동도와 열전도성, 전기전도성이 우수하여 전자소재로써 유망한 재료였다. 하지만 그래핀은 밴드 갭이 존재하지 않는다는 치명적인 단점을 갖고 있다. 따라서 인위적으로 밴드갭을 형성하려는 연구가 다방면으로 진행되었 으나, 실제 소자로 응용되기에는 한계가 있다. 2010년에 2차원 전이금속 디칼코게나이드의 대표적인 물질인 MoS2가 K. F. Mak et al.에 의해 처음으 로 연구되었다. 최근 2D TMD 재료는 높은 이동도와 대면적화가 가능해지면서 많은 전자소자에 유망한 재료로 평가받고 있다. Ge은 0.66eV의 bandgap을 갖고 있어 1550nm의 근적외선 영역을 감지할 수 있는 매력적인 재료이며, 또한 최초의 트랜지스터로 개발되었던 재료이기 때문에 최근 관심이 증가하였다. 이 뿐만 아니라 Si보다 낮은 결정화 온도와 높은 이동도를 갖고 있어 Si 채널을 대체하기 위한 노력들이 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이렇게 매력적인 두 종류의 재료를 UHV-CVD를 통해 반데르발스 heteroepitaxy로 통합 하려고 시도한다. 2D TMD 물질은 dangling bond가 없기 때문에 큰 격자 상수의 불일치임에도 불구하고 약한 반데르발스 힘으로 heteroepitaxy가 가능하다. 2D TMD는 bulk에서 박리하여 손쉽게 박막을 얻을 수 있다. 하지만 이는 면적 확장이 불가능하며 균일한 박막을 계속 확보하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 대면적에 균일하게 합성이 가능한 MOCVD를 이용하여 2D TMD를 합성하였다. 이러한 방법을 통해 MoS2 mono layer와 PtSe2 3layer, 15layer를 합성하였고 이는 우수한 재현성을 가진다. 이렇게 확 보된 2D TMD에 Ge 에피택시를 시도하였다. 그 결과, XRD patterns을 통해 (111) 구조를 가진 Ge 박막 이 성장하는 것을 확인하였다. 또한 온도를 나누어 실험을 진행하였는데 온도가 높을수록 표면 거칠기가 감소하지만 MoS2 monolayer, PtSe2 15layer의 Ge은 365℃에서 PtSe2 3layer의 Ge은 390℃에서 이동도 가 가장 우수한 것을 확인하였다. 이렇게 성장된 박막을 Transmission Electron Microscope (TEM)으로 분석한 결과 다결정 Ge이 성장된 것을 확인할 수 있었다. 이러한 세 가지 2D TMD에 성장된 Ge을 비교 분석하여 어느 2D TMD에 에피택시하는 것이 유리한지 확인하였다. 격자 상수 측면에서 MoS2 mono layer와 PtSe2는 각각 3.212Å, 3.74Å의 격자상수를 가진다. Ge (111) 다결정 박막은 4.67Å으로 MoS2, PtSe2와 각각 >21%, >20%의 격자상수 불일치를 가진다. 이렇 게 격자상수 불일치, 이동도, 표면 거칠기를 비교해보았을 때, 전처리 없이 열로만 공정을 진행했을 경우 에는 PtSe2 3layer가 가장 이동도가 우수하였다. 또한 N2 plasma 처리를 하였을 때 MoS2 monolayer, PtSe2 15layer가 Ge heteroepitaxy하기에 적합하다. 이렇게 제작된 Ge 박막의 표면 거칠기가 상당히 높아 Chemical Mechanical Polishing (CMP)을 통해 평탄화를 진행하였다. Ge과 2D TMD는 약한 van der Waals 힘으로 이루어져 있어 보편적인 CMP 공정 을 진행했을 때 전부 박리되는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 최소한의 압력을 시편에 전달할 수 있는 CMP 시스템을 새로 구축하여 진행하였다. 그 결과, 표면 거칠기를 1nm 수준으로 성공적으로 평탄 화하였다. 이렇게 성공적으로 평탄화된 heterostructure는 추후에 heterojunction pn diodes와 M3D device 제 작에 사용될 계획이다. 본 연구는 2D TMD에 Ge을 저온에서 성공적으로 성장시켰으며 평탄화 공정을 거쳐 소자에 사용될 수 있 도록 제작되었다. Ge on 2D TMD 라는 새로운 구조를 제작함으로서 기존에 각각의 물질에서는 찾아볼 수 없었던 장점을 보유한다. 추가적으로 heterojunction pn diodes와 M3D device용 Ge 박막을 확보했 다는 것에 의의가 있다.
학위논문(석사)--지능형반도체공학과,2024. 2
Keywords: 2D TMD; Germanium; 이종에피택시