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연세대 김관표 교수팀, 2차원 반도체-금속 계면 화학반응 제어 기반 화합물 형성 기술 개발

- 흑린–인듐 계면의 화학반응 제어로 인듐 인화물(InP) 형성 세계 최초 관찰 -

2차원 반도체 계면공학 기반 전자수송 특성 정밀 조절 성공 -

- 물리학 및 재료과학 분야 세계적 학술지 Advanced Funtional Materials 게재 -

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연세대학교 물리학과 김관표 교수 연구팀이 차세대 2차원 반도체 물질인 흑린(black phosphorus)과 금속 인듐(In) 간의 계면 화학반응을 정밀하게 제어해, 고도로 정렬된 인듐 인화물(InP) 형성을 세계 최초로 관찰하는 데 성공했다.

 

연구팀은 또한 이러한 계면 화합물 형성이 흑린 반도체의 전기적 특성에 미치는 영향을 규명하고, 이를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 계면공학 전략을 제시했다.

 

전자소자는 일반적으로 반도체, 금속, 절연체로 구성되며, 이들 간의 계면 접촉 특성은 소자의 성능을 좌우하는 핵심 요소다. 특히 2차원 반도체와 금속의 접촉 계면은 접촉 저항, 전하 주입 효율, 전하 이동 속도 등 소자의 주요 특성에 직접적인 영향을 미친다. 이에 따라, 계면에서의 화학반응과 화합물 형성을 제어해 전하 주입 효율을 높이고 소자에 새로운 기능성을 부여하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

그러나 화학적으로 반응성이 높은 2차원 반도체인 흑린의 경우, 계면 반응을 활용해 전자 특성을 제어한 연구는 거의 보고된 바 없었다.

 

김관표 교수팀은 흑린 표면에 인듐을 증착한 뒤 열처리를 통해 계면에서 인듐 인화물을 성장시키는 방식으로 흑린의 전기적 특성을 폭넓게 조절할 수 있음을 실험적으로 입증했다. 특히 초기 흑린의 두께를 정밀하게 조절함으로써, 계면 반응에 따른 박막화로 인한 밴드갭 증가 효과와 계면 전하 이동으로 인한 유효 밴드갭 감소 효과가 동시에 존재함을 밝혀냈다.

 

이번 연구 결과는 물리학 및 재료과학 분야의 세계적 권위 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19.0)’에 11월 05일 자로 게재됐다.

 

김관표 연세대 교수는 “이번 연구를 통해 흑린과 금속의 계면 상태를 원자 단위 수준에서 정밀 제어할 수 있음을 확인했다”며, “이 성과는 2차원 물질 기반 차세대 전자소자의 계면 물리 이해를 확장하고, 고성능 소자 개발로 이어질 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

 

이번 연구에는 윤태근 연세대 물리학과 박사와 이양진 한국과학기술연구원 박사가 제1저자 및 공동 교신저자로 참여했으며, 한국연구재단 중견연구자지원사업, 세종펠로우십, G-램프(G-LAMP) 사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

 

붙임 1. 연구진 사진 1장.

2. 논문 이미지 1장. 끝.

 

(사진 설명)

1. (왼쪽부터) 연세대 윤태근 박사, 한국과학기술연구원 이양진 박사, 연세대 김관표 교수

2. 인듐 증착에 따른 인듐 인화물 나노결정의 형성과 전자수송 특성의 변화

(상단) 인듐 증착에 따른 인듐 인화물 형성에 대한 모식도.

(좌측 하단) 인듐 인화물과 흑린의 계면을 측면에서 관찰한 투과전자현미경 이미지.

(우측 하단) 인듐 인화물 생성 전후, 흑린 소자의 전자수송 특성 변화 모식도.

 

(논문 정보)

논문 제목: Intermixing–Driven Growth of Highly Oriented Indium Phosphide on Black Phosphorus

논문 주소: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202521722