Center for Relativistic Laser Science

반도체소자 성능 높이는 신소재 전자기판 개발

IBS 나노구조물리 연구단, 2차원 반도체 동작 속도 150배 높여

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 한국과 미국 공동연구진이 전자소재나 소자의 성능 손실을 일으키지 않는 신소재 전자기판을 넓은 면적으로 만들 수 있는 기술을 개발, 2차원 반도체 동작속도를 150배 높이는 데 성공했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장과 동국대 김기강 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 김수민 박사팀은 28일 미국 매사추세츠공대(MIT) 징콩 교수팀과 함께 기판과 소재 간 상호작용을 최소화해 반도체 소자 성능을 높일 수 있는 대면적·고결정 절연체 박막 기술을 개발했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications, 10월 28일자) 온라인판에 게재됐다.

화학기상증착기에 철 기판을 넣은 뒤 보라진(NH기 3개와 BH기 3개가 평면 6각형 고리형태로 결합돼 있는 화합물)을 넣어 대면적 고결정성 질환붕소(h-BN) 박막을 만드는 과정.

전기회로와 반도체 제작에는 이산화규소 같은 산화물 절연체 기판이 사용되지만 이 기판은 소재와 강한 상호작용으로 소재 고유 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다.

연구진은 이 연구에서 6각형 벌집구조 질화붕소(h-BN)로 전자소재나 소자를 성능 손실 없이 구현할 수 있는 대면적 2차원 절연체 기판 만드는 데 성공했다.

2차원 부도체 물질인 h-BN은 기판과 전자소재·소자 간 상호작용을 최소화할 수 있는 신물질로 주목받지만 대면적·고결정성으로 만드는 것이 어려운 점이 상용화에 걸림돌이 됐다.

연구진은 h-BN 대면적·고결정 추출법을 고안해 기술적 한계를 극복했다.

구리기판 위에 원료가스의 화학작용으로 박막을 형성하는 화학기상 증착법을 사용하는 기존 방식과 달리 철 기판을 이용해 두꺼우면서 면적이 넓고 결정성 높은 h-BN 박막을 만드는 데 성공했다.

이는 상용화 가능한 대면적 h-BN 박막을 처음으로 개발한 것으로 절연체 기판의 보편적 재료인 산화물을 가까운 시일 안에 대체할 수 있을 것이라며 이를 통해 차세대 기판과 2차원 전자소자 구현을 앞당길 수 있을 것이라고 말했다.

h-BN 기판 위에 화학기상 증착법으로 만든 단일층 이셀렌화텅스텐의 전하이동도는 이산화규소 기판을 사용했을 때보다 150배나 높은 것으로 확인됐다.

연구진은 결함이 적고 전자 소재와 상호 작용이 거의 없는 기판 소재인 h-BN 박막을 사용하면 어떤 2차원 물질이라도 소재 본연의 성능을 살릴 수 있다고 설명했다.

논문 제1저자인 김수민 박사는 "이 연구는 전자소자 연구의 최대 난제를 해결할 수 있는 이상적인 소재를 상용화 가능한 수준의 대면적으로 만들 수 있음을 보인 것"이라며 "테라헤르츠(THz)급 전자소자 산업의 빠른 상용화를 이끌 기반을 마련할 것"이라고 말했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장(왼쪽)과 동국대 김기강 교수(가운데), 한국과학기술연구원(KIST) 김수민 박사

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