▣새로운 모바일 컴퓨팅 시장 창출에 기대

규슈대학 대학원 시스템 정보과학연구원 정보일렉트로닉스부문의 연구그룹은 실리콘 CMOS 트랜지스터의 고성능화 한계를 타파하는 혁신적인 메탈소스/드레인 기술을 개발하였다. 차세대 고속 반도체 채널재료로서 기대되고 있는 게르마늄과 금속의 접합계면을 원자층 수준에서 고도로 제어할 수 있는 이 기술은 지금까지 불가능하다고 생각되었던 메탈소스/드레인의 n-Ge채널 트랜지스터의 제작을 가능케 하고 기생저항을 대폭적으로 저감한 Ge-CMOS를 실현할 수 있었다. 실리콘 CMOS의 한계를 넘은 저소비전력화는 상당히 장시간의 모바일 기구구동뿐만 아니라 새로운 모바일 컴퓨팅 시장창출에 공헌이 기대된다.


본 연구그룹은 실리사이드(Silicided) 화합물의 일종인 “Fe3Si”라는 금속재료에 착안하여 Fe3Si와 Ge를 원자층 수준의 제어성을 유지한 상태로 접합함으로써, 금속/p-Ge 직접접합의 전류-전압특성에서 명확한 정류특성를 발현시켰다. 종래, 금속과 Ge의 직접접합 계면에서는 쇼트키 전도는 관측되지 않고 오믹전도(ohmic conduction)만 보고되지 않았기 때문에 그 계면에서 페르미준위 피닝을 본질적으로 제어하는 것이 불가능하다고 생각되었다.


본 성과는 그 상식을 파괴하는 결과로, 고성능 반도체를 실용화하고, 계면의 전도특성을 제어하기 위한 원자수준의 접합계면 형성기술이 상당히 중요하다는 것을 나타낸 것이다. 이 기술은 금속/n-Ge접합에서도 효과적이라는 것을 확인하였다.


(1) Fe3Si(111)과 Ge(111)의 접합계면에서 원자배열 매칭
실리사이드 화합물 Fe3Si의 격자 정수(결정격자의 크기와 형태를 정하는 정수)는 Ge와 완전하게 일치하고 있으며, 그 결정구조는 Fe원자를 기초로 한 8개의 체심입방격자의 중심에 Fe원자 또는 Si원자가 규칙적으로 배치된 DO3 규칙구조라고 불리는 안정상을 형성하고 있다. Ge와는 완전히 다른 이 결정구조를 옆에서 본 111결정면에 주목하면 Fe가 3층과 Si가 1층의 적층구조로 되어 있다. 즉, Ge(111) 최표면과 Fe3Si(111)의 Fe면 또는 Si면은 원자의 배열상태가 일치하고 있으며, 아주 자연스러운 결합을 형성하여 얻는다는 것을 알아내었다. 본 기술은 이 111결정면을 이용함으로써 원자층 제어된 Fe3Si/Ge(111) 계면을 실현하였다.


(2) 엄밀한 조성제어기술
DO3 규칙구조의 Fe3Si는 Fe원자와 Si원자의 위치가 결정되어 있기 때문에, Fe와 Si의 조성비가 제어된 상태에서 Ge와 접하지 않으면 원자배열 모델이 성립되지 않는다. 본 기술에서는 높은 확률로 DO3 규칙구조를 형성하기 위해 엄밀한 조성제어를 실현하는 Knudsen-Cells을 이용한 분자선 에피톡시(Molecular Beam Epitaxy, MBE)법을 이용하였다. 그러나, MBE법에 한정하지 않고, 조성의 엄밀제어가 가능하다면 보다 간단한 방법을 이용하여 실용적인 메탈소스/드레인기술로서 발전시킬 수 있다.


(3) 초저소비 전력 스핀 트랜지스터 응용의 가능성
최근, 강자성체로부터 반도체 채널에의 스핀 주입의 연구가 세계 중에서 활발하게 이루어지고 있다. 차세대 반도체 채널 재료의 Ge에 대해서도 스핀 트로닉스에의 응용이 상당히 기대되고 있으며, 본 기술은 강자성체인 Fe3Si를 이용한 메탈소스/드레인 MOS 트랜지스터 동작의 가능성과 직결되어 있기 때문에 스핀 트랜지스터의 응용도 기대된다. 본 기술을 이용함으로써 n-Ge에 대해서는 쇼트키 장벽 높이(φB 전자)가 낮아지는 효과가 발현되었기 때문에 앞으로 전자 스핀의 터널 주입기술로 발전시킬 예정이다.

금속-게르마늄의 (111)면접합의 모식도(좌)와 금속-게르마늄 계면의 전자현미경 사진(중),

원자층 제어접합계면의 전류-전압 특성 예(우)

(a)원자층 레벨로 제어된 Fe3Si/p-Ge(111)접합 계면의 전류-전압특성(schottky 전도)

(b) 미제어 계면 [Fe3Si/p-Ge(100)]의 특성(오믹 전도)


Fe3Si와 Ge의 (111) 및 (100)에 있어서의 원자 배열의 모식도
(111)에서는 원자 매칭이 양호하기 때문에, (100)과 비교해 계면결함이 적다고 생각할 수있다

본 기술을 이용하면 Fe3Si로부터 Ge으로 터널 전도를 매개로 한 스핀 주입기술로 발전


URL : http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100062.html


<출처>신에너지 산업기술종합개발기구, 2011. 11. 9

Posted by TopARA

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