차세대 2차원 반도체 핵심 소재 기술 개발

UNIST 신현석 교수팀, '네이처'에 관련논문 게재...이차전지, 수소연료전지 활용 기대

차세대 고집적 2차원 반도체 시대를 앞당길 핵심 소재 기술이 개발됐다.

과학기술정보통신부는 UNIST 신현석 교수 연구팀이 육방정계 질화붕소(hBN) 단결정을 여러 층으로 합성하는 기술을 세계 최초로 개발했다고 2일 밝혔다.

2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴을 웨이퍼 기판과 물리적으로 분리해 반도체의 정상적 작동을 가능하게 하는 핵심 기술이다. 이 연구 성과는 학술지 '네이처' 최신호에 실렸다.

UNIST 연구원이 육방정계 질화붕소가 코팅된 기판을 들어보이고 있다. (자료=과기정통부)

현재 고집적화의 한계에 이른 실리콘 반도체를 혁신하기 위해 원자 수개 층 두께의 이황화몰리브덴 등 2차원 소재를 활용하려는 차세대 2차원 반도체가 주목받고 있다. 

2차원 소재는 두께 자체가 원자 수준으로 얇아 원자 수준의 채널을 전류 누설 문제 없이 구현할 수 있다. 또 표면에 불완전한 화학결합을 뜻하는 댕글링 본드가 없어 이로 인한 전하 산란을 억제할 수 있다. 전류 누설이나 발열 등 고집적 실리콘 반도체의 약점을 극복할 수 있다는 의미다. 

하지만 2차원 고집적 반도체에는 웨이퍼 기판과 이황화몰리브덴 소재를 분리하는 절연체가 반드시 필요하다. 원자 두께의 이황화몰리브덴이 웨이퍼에 직접 닿으면 전하가 갇히는 전하 트랩 현상이 발생, 전하의 움직임이 제약을 받아 반도체 기능을 할 수 없기 때문이다. 

또 전하 산란을 막기 위해 절연체 소재 역시 이황화몰리브덴과 같은 2차원 소재를 써야한다. 2차원 소재는 구성 원자끼리 2차원 평면 형태로 연결돼 있어, 실리콘과 같은 3차원 구조 소재에서 문제가 될 수 있는 전하 산란이 발생하지 않는다.

육방정계 질화붕소는 이러한 조건을 만족하는 유일한 2차원 절연체 물질로 알려져 있다. 그러나 2차원 절연체 소재를 반도체 소자에 쓸 수 있을 정도의 적절한 두께로 단결정 합성하는 기술이 난제였다. 

단결정 다층 육방정계 질화붕소 박막이 합성되는 과정 (자료=UNIST)

연구팀은 합성에 필요한 재료의 농도를 조절하는 새로운 합성 방식을 통해 두께 조절이 가능한 육방정계 질화붕소 단결정 합성에 성공했다. 화학기상증착 방법으로 단결정 니켈 기판 위에서 대면적으로 삼중층 육방정계 질화붕소 단결정 박막을 에피택시 성장시켰다. 

상용화가 가능한 수준의 큰 크기 육방정계 질화붕소를 합성한 사례는 발표된 바 있지만, 단결정을 다층 박막 형태로 합성한 것은 이번이 처음이다.

신현석 교수는 "이번 연구로 기존 고집적 반도체의 물리적 한계를 해결할 수 있는 소재 합성 기술을 개발했다"라며 "육방정계 질화붕소를 반도체 뿐만 아니라 수소연료전지 전해질막, 차세대 이차전지 전극소재, 양자 광원 등으로 쓸 수 있다는 사실이 속속 보고되고 있는 만큼, 소재생산 원천기술 확보를 위한 적극적인 추가연구가 필요하다"라고 밝혔다.