2차원 금속 칼코게나이드 박막 소재는 새로운 물리 현상과 화학적 반응 특성 때문에 많은 기초연구가 진행되고 있으나, 아쉽게도 광/전자 소자로서 실용화를 위한 연구는 활성화되지 못한 상태이다. 그러한 답보 상태의 가장 큰 요인은 웨이퍼 스케일에서 균일한 두께와 특성을 갖는 단결정 박막을 만들 수 없다는 소재 합성 측면의 어려움이 있고, 현재 대부분의 2차원 반도체의 소자 제조에서 사용되는 필름의 전사 과정이 기존의 전자 소자 제조에 적합하지 않다는 소자 제조 측면에서의 어려움을 극복해야 하며, 실리콘으로 대표되는 기존 반도체의 특성과 차별적인 새로운 물리를 기반으로 하는 소자의 제조가 필요하다.

기존의 합성에서는 기판 표면에 Nucleation and Growth 과정을 통해 필름을 제조하였기 때문에 성장시킬 수 있는 단결정의 크기를 수백 mm 이상 키우기는 한계가 있었다. 본 연구에서는 기판 상 결정 성장이라는 방식을 벗어나, 단결정 웨이퍼를 반응물로 사용함으로써 자연스럽게 웨이퍼 전 표면에 화합물 반도체 단결정이 형성되는 새로운 접근을 시도하고자 한다. 본 연구에서 합성의 핵심 개념은, 도입되는 칼로겐 원소의 웨이퍼로의 확산이 웨이퍼의 칼코겐으로의 확산보다 빠르게 만들어 주고, 칼코겐의 확산이 웨이퍼의 깊이 방향보다 측면 방향으로의 확산이 훨씬 빠르게 만들어 주는 것이다. 이러한 개념을 통해, 웨이퍼의 다양한 지점에서 동시다발적으로 반응이 발생하더라도 결국 웨이퍼 전체에 단결정 박막이 만들어 질 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 다양한 단결정 웨이퍼 (Si, Ge, GaAs, 등)와 칼코겐 원소 (S, Se, Te)을 반응시켜 2성분계 반도체 화합물 단결정을 합성하고, 다른 금속 (Sn, Fe, Cr)을 박막을 함께 반응시켜 3성분계 화합물 반도체를 합성하고자 한다. 특히, Si₂Te₃ 단결정 초박막의 웨이퍼 스케일 합성을 집중하여 연구를 진행하고자 하며, 합성된 박막의 전사 공정이 없이 통상적인 리소그라피를 통해 집적도가 높은 Atomic switch 소자를 개발하고자 한다. 본 연구에서 기존의 필라멘트 기반의 저항방식이 아닌, localized field-induced phase transition이라는 새로운 개념을 통해 multi-level switching 소자를 개발하고자 한다.

웨이퍼 스케일 반도체 화합물 합성과 패터닝을 통한 switching 소자의 개발