포스트 그래핀의 대표 주자, ‘흑린’으로 만드는 초극미세 반도체

반도체는 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 성능 향상에 유리하다. 단위 면적당 더 많은 소자를 집적할 수 있기 때문이다. 산업계에서는 선폭이 5nm 정도인 ‘5나노 반도체’가 최근 상용화에 들어섰다.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 이종훈 그룹리더(UNIST 교수)와 펑딩 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀은 2차원 흑린을 이용해 선폭 4.3Å(0.43nm)의 전도성 채널을 구현했다. 이는 나노미터 한계를 뛰어넘어 옹스트롬(Å‧1Å은 0.1nm) 단위 선폭의 초극미세 반도체 소자 가능성을 실험적으로 제시한 것이다. 이번 연구는 울산과학기술원(UNIST), 포항공대(POSECH)와 공동으로 진행했다.

2차원 흑린은 ‘포스트(post) 그래핀’ 시대의 주역이 될 반도체 소재로 꼽힌다. 두께가 원자 한 층 정도여서 실리콘 기반 반도체로 구현하기 힘든 유연하고 투명한 소자에 이용 가능하다. 또한 2차원 반도체 소재 중 전자이동도가 가장 크다. 그래핀과 달리 ‘밴드갭(band gap)’이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어도 쉽다.

* 밴드갭(band gap): 물질 속 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분 사이 일종의 장벽으로, 이 공간을 자유전자들이 돌아다니면서 전기를 통하게 한다. 특정 소자를 반도체로 사용하려면 실리콘처럼 밴드갭이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어가 가능하다.

그래서 그간 흑린 등 2차원 물질들을 반도체 소자로 활용하려는 시도들이 많이 있었다. 그 결과 물질들의 전기적 특성 측정 및 응용 관점에서 많은 발전도 이루어졌다. 하지만 2차원 물질들을 실제 소자화하는 공정 과정에서 발생하는 결함(defect)에 관한 연구는 상대적으로 미비했다. 이에 연구진은 이 문제를 해결하기 위한 연구에 착수하였다.

연구진은 전극으로 활용될 수 있는 전도성 채널을 만들고자 다층의 2차원 흑린 각 층 사이에 구리 원자를 삽입했다. 이때 흑린에 얇은 구리 박막을 증착한 후 열처리를 하는 간단한 공정을 진행한다. 그러면 흑린의 이방성 원자구조로 인하여 구리 원자가 2차원 흑린에 0.43nm의 미세한 폭을 유지하며 삽입된다. 연구진은 이를 원자분해능 투과전자현미경(TEM)을 통해 규명했다. 이렇게 형성된 0.43nm 두께의 전도성 채널은 반도체 소자의 전극으로 사용될 수 있다. 연구진은 또한 전도체/반도체/전도체로 이뤄진 반도체의 기본 소자 구조를 2nm 이하 수준에서 형성할 수 있음도 보였다.

제1저자인 이석우 연구원은 “2차원 반도체 물질인 흑린을 이용한 초미세 반도체 소자 실현 가능성을 보여준 연구”며 “현재 반도체 공정에 사용될 수 있는 고상확산법을 이용하였기 때문에 실제 응용 효과가 클 것이다”이라고 설명했다.

이종훈 그룹리더는 “흑린은 2차원 반도체 소자 분야에서 그래핀을 능가할 물질로 각광받는다”며 “기존 나노미터 한계를 뛰어넘는 초극미세 소자로서의 활용 가능성을 확인했다”고 말했다.

연구결과는 7월 29일 나노분야 세계적 학술지인 나노레터스(Nano Letters, IF 11.189) 표지논문으로 게재됐다.

※ 논문명 : Anisotropic Angstrom-Wide Conductive Channels in Black Phosphorus by Top-down Cu Intercalation

▲ 흑린 사이에 형성된 나노 단위 미만 선폭의 전도성 채널

구리 원자를 저온 고체 확산법을 이용해 흑린 내에 침투시키면 나노미터 이하 선폭을 갖는 전도성 채널을 형성할 수 있다. 위 그림은 전도성 채널을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 구조와 일러스트.

▲ 나노 단위 미만 선폭의 구리 원자 삽입을 통한 전도성 특성 측정 및 1나노 단위 수준의 반도체 소자

(a) 반도체 물질인 흑린 내에 구리 원자 삽입을 통하여 형성한 전도성 채널의 전기적 특성을 전도성 원자력간현미경(C-AFM)으로 측정하였다(하얀색 선으로 보이는 부분이 구리 원자 삽입을 통하여 형성한 전도성 채널). (b) 두 개의 전도성 황색 영역(구리 삽입을 통한 전도성 채널)과 그 사이에 형성된 반도성 청색 영역(흑린)을 보여주며 이를 통하여 1nm 단위의 전자소자 구현이 가능함을 보여준다.

포스트 그래핀의 대표 주자  흑린으로 만드는 초극미세 반도체.hwp

출처: 기초과학연구원