Electrical Characteristics and Interfacial Process Optimization of 2D Transition Metal Dichalcogenide (WSe2) Based Transistors = 2D 전이금속 칼코겐화합물 기반 트랜지스터의 전기적 특성 및 계면 공정 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 차세대 반도체 기술 수요에 대응하기 위하여 저전력 반도체 소자 개발을 주 연구 목표로 설정하고, 이를 보완하는 관점에서 반도체 제조 환경의 핵심 요소인 초순수(UPW) 생산 기술을 부가 연구로 수행하였다. 특히 소자 성능 고도화와 공정 환경의 순도 관리가 반도체 시스템 신뢰성 확보에 동시에 중요하다는 점에 착안하여, 소자 중심의 연구에 공정 기반 기술을 연계하였다.
주 연구 내용으로는 저전력 구동이 가능하며 신경모사 소자로의 확장 가능성을 갖는 트랜지스터 소자를 설계·제작하고, 전기적 특성을 체계적으로 분석하였다. 제작된 소자는 낮은 구동 전압에서도 안정적인 스위칭 특성과 선형적인 전류 변조 거동을 나타내었으며, 우수한 전기적 안정성을 확보하였다. 또한 장·단기 가소성, 전도도 조절 및 감쇠 특성 등 인공 시냅스 소자로 요구되는 핵심 동작 특성을 구현함으로써, 본 연구에서 제안한 소자 구조가 저전력 논리 소자뿐 아니라 뉴로모픽 컴퓨팅 응용에 활용될 수 있는 높은 잠재력을 지님을 확인하였다. 이러한 결과는 차세대 저전력·지능형 반도체 소자 개발을 위한 실질적인 기술적 기반을 제시한다.
부가 연구로는 반도체 제조공정에서 요구되는 초순수의 안정적 공급 가능성을 검증하기 위해 박막복합막(Thin Film Composite, TFC)을 제조하고 수처리 성능을 평가하였다. TFC 막은 다양한 물리·화학적 오염물질과 미생물 지표에 대해 높은 제거율을 보였으며, 장기 운전 조건에서도 안정적인 제거 성능을 유지하였다. 이는 본 연구에서 개발한 저전력 반도체 소자의 신뢰성 있는 제조 환경을 뒷받침할 수 있는 기반 기술로서의 가능성을 확인한 결과이다.
종합적으로 본 연구는 저전력 반도체 소자 개발을 중심으로, 이를 지지하는 제조 환경 기술을 함께 고찰함으로써 차세대 반도체 소자 및 공정 신뢰성 향상에 기여할 수 있는 통합적 연구 방향을 제시하였다. 향후 연구에서는 소자의 집적도 향상 및 동적 조건에서의 안정성 확보를 중심으로, 공정 환경 기술과의 연계를 더욱 고도화할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1-1. Two-Dimensional WSe2 Transistors for Semiconductor Manufacturing 1
• 1-1-1. Advances and Limits of Silicon Thin-Film Technologies 13
• 1-1-2. Emergence of Two-Dimensional Semiconductors 15
• 1-1-3. Tungsten Diselenide(WSe2): 2D p-type Semiconductor 27
• 1-2. Thin Film Composite Membranes for Ultra-Pure Water in Semiconductor Manufacturing 33
• 1-2-1. Background and Importance of Ultra-Pure Water in Semiconductor Manufacturing 35
• 1-2-2. Role of Ultra-Pure Water in Critical Semiconductor Processes. . 38
• 1-2-3. Thin-film composite membranes for application of Ultra-Pure water 50
• Ⅱ. Experimental 57
• 2-1. Two-Step Synthesis of WSe2 and Device Fabrication 57
• 2-1-1. Chemical Vapor Deposition (CVD) Synthesis of Two-Dimensional WSe2 57
• 2-1-2. Compositional Analysis of WSe2 Thin Films 59
• 2-1-3. Fabrication of Two-Dimensional WSe2 Back-Gated Transistors 60
• 2-2. Preparation and evaluation of Thin-film Composite(TFC) Membrane for UPW production . 62
• 2-2-1. Preparation of TFC Membrane 64
• 2-2-2. Evaluation of Raw and Treated Water Using TFC Membrane Filtration 66
• 2-2-3. Microbial Removal Performance Assessment of TFC Membranes 75
• Ⅲ. Results and Discussion 81
• 3-1. Structural and Compositional Properties of WSe2 Films . 81
• 3-1-1. Raman Spectroscopy Analysis of Thickness-Dependent Layers 83
• 3-1-2. XPS and Elemental Mapping for Stoichiometry Confirmation . 85
• 3-1-3. TEM Cross-Sectional Analysis and Interface Quality . 86
• 3-2. Electrical Characteristics of p-Type WSe2 FETs 88
• 3-2-1. Transfer and Output Characteristics under Varying Thickness . 88
• 3-2-2. Mobility, On/Off Ratio, and Gate Leakage Behavior 91
• 3-2-3. Hysteresis and Interface Trap Effects in WSe2/SiO2 . 93
• 3-3. Synaptic Properties and Neuromorphic Functionality 95
• 3-3-1. Long-Term Potentiation (LTP) and Long-Term Depression (LTD) 95
• 3-3-2. Linearity, Asymmetric Ratio (AR), and Cycle-to-Cycle Stability 98
• 3-3-3. Proposed Mechanism of Synaptic Behavior in WSe2 Devices . 100
• 3-4. Evaluation of TFC membrane for UPW production 102
• 3-4-1. Evaluation of Removal Performance of TFC membrane for UPW production . 104
• 3-4-2. Sustainability of TFC membrane . 107
• Ⅳ. Conclusion 115
• References . 118
• Abstract . 137
• Acknowledgment . 138