국내 연구진이 금속 표면의 오염도와 일함수(work function) 변화 간의 상관관계를 밝혀냈다. 일함수는 진공 환경에서 고체 표면에 빛을 쪼여줄 때 고체 표면으로부터 전자가 방출되는 데 필요한 최소 임계 광자 에너지를 말한다. 연구진은 차세대 반도체 소자와 전극촉매, 이차전지 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대했다.
한국기초과학지원연구원은 소재분석연구부 정범균 박사 연구팀이 초고진공 환경에서 백금 단결정 표면에 존재하는 미량 기체의 오염이 일함수에 미치는 정량적인 영향을 규명했다고 30일 밝혔다.
일함수는 반도체와 금속 간 전자의 에너지를 결정하는 값이다. 반도체 소자와 금속-반도체 접합 부분 간 일함수 차이가 적을수록 접촉 저항이 줄고 전자의 흐름이 좋아지게 된다.
통상 집적회로 내 반도체 소자를 이어주는 회로 도선으로 귀금속이 사용되는데, 이 귀금속 표면의 일함수를 정확히 알아야 고효율 반도체를 만들 수 있다. 일함수는 표면의 원자배열, 화학 상태, 미량의 오염에 크게 변화하므로, 이러한 변수들을 조절할 수 있어야 원하는 일함수 값을 가질 수 있다.
반도체 제조는 공정 중 발생할 수 있는 불순물의 영향을 최소화하기 위해 진공 상태에서 이뤄지는데, 초고진공 환경에서 이런 과정들을 한번에 처리할 수 있는 인프라는 전 세계에서 찾기가 힘들다. 표면의 일함수와 화학 조성을 동시 측정한 사례도 없어 두 가지 특성 간 상관관계도 정확히 알기 어려웠다.
연구팀은 최첨단 표면 분석장비인 ‘근상압 X선 광전자분석기’를 활용해 초고진공 상태에서 존재하는 극미량 잔류 기체로 인한 표면 오염이 백금 표면의 일함수에 미치는 영향을 정량적으로 분석했다. 그 결과 기체가 매우 희박한 초고진공 환경에서도 미량의 잔류 기체(H2, CO)에 의해 백금 표면에 탄소 오염이 발생하고, 이로 인해 일함수가 감소하는 것을 확인했다.
반대로 탄소 오염물을 산화 제거시킬 수 있는 산소를 챔버 안에 주입했더니, 탄소는 제거되지만 그만큼 산소 기체가 흡착하면서 일함수가 증가했다. KBSI 정범균 박사는 “이번 연구결과는 금속 표면의 오염 등 화학적 상태와 일함수의 변화라는 두 가지 특성 간의 상관관계를 정량적으로 규명한 것”이라며 “반도체 소자, 촉매, 배터리 내 계면들의 성능 최적화 연구에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구 결과는 표면과학 분야 국제학술지인 ‘어플라이드 서페이스 사이언스(Applied Surface Science)’에 게재됐다.
참고자료
Applied Surface Science, DOI : https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.155005