울산과학기술원(UNIST)에서 차세대 반도체 핵심 소재를 합성할 수 있는 기술을 세계 최초 개발했다.
UNIST 신현석 교수 연구팀은 단결정(單結晶, Single Crystal) 육방정계 질화붕소(hBN)단결정을 여러 층으로 합성하는 기술을 개발했다고 6월 2일 발표했다. 차세대 2차원 반도체에 필요한 절연체를 만들 때 사용하는 기반 기술이다.
차세대 반도체 공정에서 말하는 2차원이란 두께가 원자 수준으로 얇아 물체가 면(2D) 형태로 관측된다는 의미다. 2차원 반도체는 2차원 소재로만 구성돼 전류 누설과 발열 등 문제를 해결하며 칩 집적도를 더욱 높일 수 있어 차세대 반도체로 각광받아왔다.
학계에서 주시하던 소재는 그래핀이었다. 두께가 탄소 분자 한두개에 불과한 그래핀은 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있어 차세대 웨이퍼 소재로 주목받아 왔다. 반도체 특성이 없는 그래핀에 매우 얇은 층 구조를 형성할 수 있어 박막 제작에 유리한 이황화몰리브덴을 도포해 극히 얇은 '2차원 반도체'를 구현하는 게 그간 연구 과제였다.
그러나 웨이퍼 기판에 이황화몰리브덴 박막을 직접 도포하면 전하가 갇혀 반도체 특성이 사라지는 전하 트랩 현상이 발생한다. 전하 트랩을 막기 위해 웨이퍼와 이황화몰리브덴 사이에 절연체를 삽입해야 하는데, 전하 산란을 막기 위해서는 절연체도 2차원 소재로 구성되어야 한다는 제한조건이 있었다.
육방정계 질화붕소는 이론상 매우 얇게 구성될 수 있어 이론상 가장 적절한 절연체 소재로 알려졌으나, 2차원 반도체 소자에 쓸 수 있을 두께로 단결정 합성하는 기술이 없어 난항을 겪었다.
연구팀은 합성에 필요한 재료 농도를 조절하는 새로운 방식을 창안해 두께 조절이 가능한 육방정계 질화붕소 단결정 합성에 성공했다. 네이처 지에 게재된 학술 발표에 따르면 화학기상증착법을 통해 단결정 니켈 기판 위에서 삼중층 육방정계 질화붕소 단결정 박막을 에피택시얼 성장(Epitaxial Growth)시켰다.
이번 연구를 통해 그래핀 웨이퍼와 육방정계 질화붕소 절연체, 황화몰리브덴 박막을 만들 수 있는 이론적 토대가 모두 쌓이게 됐다. 종이보다 얇은 차세대 2차원 반도체 제작에 필요한 재료공학적 기반을 갖추게 된 셈이다.
신현석 교수는 "기존 고집적 반도체가 지닌 물리적 한계를 해결할 수 있는 소재 합성 기술을 개발해냈다"라며, "육방정계 질화붕소를 반도체만 아니라 수소연료전지 전해질막이나 차세대 이차전지 전극 소재, 양자 광원 등에 활용할 수 있다는 사실이 보고되고 있는 만큼 소재생산 원천기술 확보를 위한 적극적인 추가 연구가 필요하다"라고 말했다.
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[IT 만평] UNIST, 차세대 반도체 핵심 소재 기술 개발
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