김지희 교수팀, 2차원 반도체 소자의 한계를 넘다: 새로운 금속전극 공정 기술의 탄생

탐침 기반 전사로 유기 잔류물 배제…고감도 광전소자 제작 가능성 입증

물리학과 김지희 교수 연구팀은 잔류물 없는 나노미터급 고해상도 공정을 구현할 수 있는 ‘반데르발스 금속 마스크(van der Waals Metal Mask)’ 기술을 개발해 2차원 물질 기반 소자 제작의 혁신적인 접근법을 제시했다. 이 기술은 기존 공정의 한계를 뛰어넘어 다양한 2D 물질 소자의 정밀 제작과 신뢰성을 대폭 향상시킬 것으로 기대된다.

기존 2차원 반도체 소자 제작 공정 과정에서 가장 문제로 꼽히는 표면 유기 잔류물(Organic residue) 문제를 완전히 해결하면서, 다양한 2차원 물질의 고해상도 공정을 구현하는 새로운 방식을 제안한 것이다. 연구팀은 금(Au)과 은(Ag)으로 구성된 금속 필름을 탐침(Tip)을 이용해 전사하는 탐침 기반 전사 기술(probe tip-assisted metal film transfer technique)을 개발해(그림1), 1-μm 이하의 정밀한 패턴 전사가 가능함을 입증했다(그림2). 이 기술은 기존 기술과 달리 유기 잔류물이 남지 않으며, 다양한 물리적, 전기적 소자 제작의 가능성을 열었다. 

이번 연구 결과는 ‘Robust van der Waals Metal Mask for Residue-Free and All-Solid 2D Material Engineering(잔류물 없는 2D 물질 공정을 위한 강력한 반데르발스 금속 마스크)’이라는 제목으로 국제 학술지 『Advanced Functional Materials』 11월 12일자에 게재됐다.

- 논문 링크: http://doi.org/10.1002/adfm.202407821

전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichacogenides)와 그래핀을 포함하는 2차원 물질은 높은 전기적 이동도와 강한 빛-물질 상호작용으로 광전소자 및 나노소자 개발에서 주목받고 있다. 그러나 기존 리소그래피 기반 공정에서 발생하는 유기 잔류물이 반도체 표면이나 반도체-금속 전극 계면에 남아 소자 특성 측정 결과에 큰 영향을 미친다. 또한, 고가의 장비 의존성은 연구와 응용을 제한하는 주요 장애물로 작용한다. 이에 따라, 잔류물 없이 간단하면서도 비용 측면에서 효율적인 고해상도 금속 전극 공정의 필요성이 대두됐다.

이에, 연구팀은 금속 필름(Au/Ag)을 탐침 기반으로 전사해, 유기 화학물질을 사용하지 않고도 2차원 물질의 표면에서 나노미터급 정밀 전극을 가공할 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

탐침을 이용한 금속 필름 전사로 기존 리소그래피 공정에서 발생하는 유기 잔류물로부터 완전히 자유롭고, 1-μm 이하 고해상도 공정 구현 및 유연소자 제작에 용이한 이 기술은 WSe2, MoS2 등 다양한 2차원 물질에 적용 가능하며, 특히 고성능 광전소자 제작에 적합하다. 

기존 리소그래피 대비 공정 단순성과 비용 효율성에서 우수하며, 유기 잔류물 없는 반도체-금속 계면 처리로 신뢰도 높은 소자 특성을 구현했으며, 스퍼터나 E-beam 증착법을 이용하는 기존 금속 전극 제작 방식에서 고질적으로 발생하는 2차원 반도체 물질의 표면 결함 문제도 최소화할 수 있다.

이번 논문의 교신저자인 김지희 교수는 “반데르발스 금속 마스크를 활용한 탐침 기반 전사 기술을 제안한 이번 연구는 기존 리소그래피 공정을 대체할 수 있는 혁신적인 접근법이다. 유기 잔류물 문제를 완전히 배제하는 금속 전극 공정을 구현함으로써 2D 물질 연구와 소자 제작의 새로운 가능성을 열었다. 다양한 2D 광전소자뿐만 아니라 유연한 호기 센서, 광통신, 원격 감지, 비침습적 질병 진단 모니터링과 같은 첨단 산업 전반에 걸쳐 폭넓은 파급 효과를 가져올 것으로 기대된다”고 말했다. 

[Abstract]

The van der Waals (vdW) contact, characterized by its bondless interactions, opens up exciting possibilities in cutting-edge mask technology. It enables incredibly close proximity to samples at the atomic level while facilitating non-destructive engineering. In this study, the concept of a vdW metal mask using the template striped ultra-flat Ag/Au film is introduced. The probe tip-assisted metal film transfer under an optical microscope is employed to showcase all-solid and residue-free engineering on 2D materials. The robust nature of the vdW metal mask allows for various treatments, including gas, liquid, solid, plasma, and light, making it a universal tool for fabricating 2D material-based devices and samples with sub-1 μm resolution, all without the need for lithography technologies. With the superiority in simple sample fabrication, ultra-clean surfaces, and robustness under harsh conditions, the technique is believed to flourish in the 2D material research field.

* Reference

- Author (Pusan National University): Ji-Hee Kim (Department of Physics) 

- Title of original paper: Robust van der Waals Metal Mask for Residue-Free and All-Solid 2D Material Engineering

- Journal: Advanced Functional Materials

- DOI: http://doi.org/10.1002/adfm.202407821