헥사고날 보론나이트라이드 절연 층 접목을 통한 그래핀 전자소자 특성 향상

유 영 준 _ 한국전자통신연구원 선임연구원

들어가는 글
완벽한 이차원 전자 기체(two‐dimensional electron gas, 2DEG)에 대한 연구는 벌집(honeycomb) 모양의 이차원 카본(carbon) 네트워크 구조인 그래핀의 구현으로부터 더욱 완성도 높은 연구 결과들이 나오기 시작했으며, 그래핀의 전기적인 특성 뿐만 아니라, 그 뛰어난 광 투명도, 기계적 튼튼함 그리고 열전도도 등에 의해 그 활용도가 기하급수적으로 증가 되고 있는 상황이다.
시기적으로 2004년 University of Manchester의 Andre Geim 교수 그룹에서 그래파이트(graphite)에서 부터 그래핀(graphene)을 기계적 박리(mechanical exfoliation)방법으로 얻은 것이 그래핀 연구의 시발점이 되었다.[1] 그리고 이듬해인 2005년에 그림 1과 같이 Geim 그룹과 Columbia University의 Philip Kim 교수 그룹에서 기존의 양자 홀 효과(quantum hall effect)와는 다르게 그래핀에서는 반정수 양자 홀 효과(half‐integer quantum hall effect)로 나타나는 특이한 현상을 발견 하였다. 또한 그래핀의 경우 전하의 유효 질량이 0에 가까워지며 그 에너지 관계가 질량이 없는 Dirac 입자로 표현됨을 증명 하였고 이로부터 그래핀의 높은 전하 이동도(carrier mobility)가 전자소자로의 응용에 큰 기여를 할 것으로 예상 하고 있다.[2,3] 이러한 그래핀을 얻을 수 있는 방법을 발견한 공로로 2010년 노벨 물리학상을 University of Manchester의 Andrea Geim 교수와 Konstantin Novoselov 교수가 받으면서 그 연구가 폭발적으로 증가하였다. 이후 전자 소자 응용 분야 뿐만이 아니라 그래핀의 산업 응용 분야로는 화학적인 합성방법을 통한 대면적 그래핀의 생산이 가능 해진 현재, 투명전극[4], 히터[5] 그리고 램프[6] 등 그 연구 영역이 대면적 스케일로 확대 연구 되어가고 있다. 그럼에도 불구하고 그래핀의 전자소자로서의 응용가능성은 계속해서 주목 받고 있으며, 아직까지 그래핀 본연의 전기적 특성을 이끌어내기에는 좀더 다각도로 연구 방향을 통한 접근이 필요로 하고 있다. 많은 연구 방향 중 현재 높은 성능의 그래핀 전자 소자 구현에 있어서 필요로 하는 알맞은 절연물질(insulator)의 도입에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본문에서는 최근 많은 관심을 받고 있는 헥사고날 보른 나이트라이드 절연 층의 그래핀 전자소자로의 도입에 대한 연구진행 상황에 대해서 다루도록 하겠다.

그림 1. (a) 벌집구조인 그래핀의 에너지 밴드 구조(b) 단층 그래핀 전자 소자의 게이트 전압에 따른 저항변화 와 전하 이동도 및 전하 밀도 변화 그래프. (c) University of Manchester 그룹과(d) Columbia University 그룹에서 얻은 그래핀의 반정수 양자 홀 효과 결과. [1,2,3,29]

본 문
완벽한 이차원 카본 구조인 그래핀을 이용한 전자소자는 그 고유의 벌라스틱한(ballistic)전자 수송 특성 구현을 위해 그래핀을 받쳐주는 절연물질 바닥(insulating subst-rate)의 역할이 중요하다. 삼차원 반도체의 경우 실리콘 산화막(SiO2) 바닥면의 거칠기(roughness)가 시료의 두께에 비해 충분히 작기 때문에 실리콘 산화막 바닥을 이용한 전자 소자 구현을 진행하는데는 문제가 없었다. 하지만 그래핀의 경우 한 층(single layer)의 두께가 0.35 nm의 원자 층의 두께를 가지고 있기 때문에 기존의 실리콘 산화막 위에 시료를 준비하면 그림 2(a)와 같이 그래핀의 표면 모양(morphology)이 ± 0.5 nm 크기의 실리콘 산화막 표면의 거칠기를 그대로 반영한다.[7] 또한 이러한 기계적인 형태뿐만이 아니라, 실리콘 산화막 표면의 나노미터 스케일의 전하 불균일함이 직접적으로 그래핀에 영향을 주어 그래핀 표면의 나노미터 크기의 전도도 불 균일을 형성 시켜

그림 2(b)와 같이 전자‐홀 웅덩이(electron‐hole puddle)를 만든다.[8]

그림 2. (a) 주사형 터널 현미경(scanning Tunneling Microscope, STM)을 이용해서 실리콘 산화막 바닥 위에 준비된 그래핀의 표면 모양. (b) 주사 단일 전자 트랜지스터(scanning Single electron Transistor)를 이용하여 얻은 실리콘 산화막 바닥 위에 준비된 그래핀의 전자‐홀 웅덩이(electron‐hole puddle) 이미지. [7, 8]

이러한 전자‐홀 웅덩이가 전하의 이동을 방해하기 때문에 실리콘 산화막 위에 그래핀 전자 소자를 준비했을 때 그 전자 수송 능력은 그래핀 본연의 실력을 발휘 할 수 없다. 이러한 한계점을 극복하기 위하여 여러 가지 시도가 진행 되고 있는데, 그 중에 그래핀 본연의 전하 이동도(ca-rrier mobility)를 구현하기 위해서 바닥의 받침이 없는 suspended 그래핀 구조를 그림 3과 같이 만들어서 연구하고 있다.[9,10] 이 구조는 기계적인 박리방법을 이용해 실리콘 산화막 위에 준비된 단층 그래핀에 상대적으로 큰 전극 기둥(electrode)를 만든 후 BOE(buffered oxide etch) 용액을 이용해 그래핀 밑의 실리콘 산화막을 녹여 제거하는 방법을 이용한다. 그 결과 그림 3의 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)이미지와 같은 바닥의 받침 없이 공중에 떠있는 형태인 suspended 그래핀을 구현 할 수 있다.

그림 3. (a) Suspended 그래핀의 주사 전자 현미경(Scanning Electron microscope, SEM) 이미지. (b) Suspended 그래핀의 게이트 전압(gate voltage)에 따른 저항 변화 그래프. (c) 분수 양자홀 효과를 보여주는 suspended 그래핀의 높은 자기장 속에서의 전하 밀도와 자기장 변화에 따른 전도도 변화 이미지. (d) 선택된 A(v=1/3) 에서 분수의 양자 홀 효과를 보여주는 전하 밀도에 따른 전도도 그래프. (표) A에서의v=0.3, G=0.3e/h 값의표. [9]

이러한 suspended 그래핀의 경우 기존에 실리콘 산화막에 의한 전자‐홀 웅덩이의 생성을 배제 할 수 있었으며, 이론으로만 예상하였던 수십만 cm2/Vs(~200,000 cm2/Vs)의 전하 이동도를 얻을 수 있었다.[11] 또한 그림 3에서 보여지는 것과 같이 높은 자기장 환경내의 suspended 그래핀으로부터 분수의 양자 홀 효과(fractional quantum hall effect)를 얻을 수 있다.[9,10] 분수의 양자 홀 효과란 극저온의 이차원 전자 기체구조에 높은 자기장을 걸어 주었을 때 전자들이 자기장 흐름에 묶여서 일종의 집합체 준위(collective -state)에 소속 됨으로써 새로운 준입자들(quasiparticles)을 생성하여 양자 홀 효과 측정 시 정수가 아닌 분수로(v=1/3) 측정되는 되는 현상이다. 실리콘 산화막 위에 준비된 그래핀의 경우는 바닥면의 상호작용에 묻혀서 측정 할 수 없었으나, 외부 영향을 배제시킨 suspended 그래핀 구조로부터 얻을 수 있었다. suspended 그래핀 구조로부터 우리가 원하던 그래핀 고유의 능력을 이끌어 낼 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.
이러한 결과로부터 suspended 그래핀 소자는 기초과학 연구에 매우 유용한 구조로 많은 연구그룹들이 이를 이용한 실험들을 진행, 발표 하고 있는 현황이다. 그러나 전자 소자로서의 상용화를 위해서는 이러한 suspended 그래핀의 구조는 너무 약하고 그 구현 수율도 매우 낮은 것이 현 상황이다. 이를 극복하기 위해 여러 가지 종류의 절연 물질(insulator) 바닥들을 발굴 적용하는 연구가 진행 되고 있고, 최근 소개 된 물질이 헥사고날 보론나이트라이드(hexagonal boron nitride, h‐BN)이다. 헥사고날 보론나이트라이드는 그림 4(a)와 같이 보론원자와 나이트라이드 원자가 헥사고날 구조로 이루어져있기 때문에 그래핀과 그 원자구조가 거의 흡사하다.[12] 이로 인해 그래핀과의 격자 불일치(lattice mismatch)율이 1.7% 이며[13], 밴드갭이 대략 5eV로서14 절연 물질로의 특성을 이미 가지고 있다.
또한 그래핀과 같이 층과 층이 반데르 발스 힘(van der -Waals force)으로 결합 되어진 1판상 구조이기 때문에 기계적 박리 방법으로 한층, 한층을 선택적으로 준비 할 수 있다. 이러한 장점을 가지고 있는 헥사고날 보른나이트라이드를 이용하여 그림 4와 같이 매우 평평한 표면의 그래핀 전자 소자를 구현 할 수 있다.[15‐17[ 그림 4(b)에서 보이듯이 원자력 주사탐침 현미경(atomic force microscope, AFM)을 이용하여 거칠기를 비교 했을 때 실리콘 산화막 바닥에서 보다 헥사고날 보른 나이트라이드의 경우 표면의 거칠기가 세배나 낮은 것을 알 수 있다.[15] 또한 주사형 터널 현미경(scanning Tunneling Microscope, STM)을 이용해서 그래핀의 전자‐홀 웅덩이 정도를 그림 4(c)와 같이 각각 비교 했을 때, 헥사고날 보른 나이트라이드 위에 준비된 그래핀의 경우 전자‐홀 에너지 웅덩이가 실리콘 산화막 바닥 위에 준비 한 경우에 비해 거의 없는 것을 관찰할 수 있으며[16], 이러한 장점을 바탕으로 그림 4(d)와 같이 높은 전하 이동도(~60,000 cm2/Vs)를 얻은 것을 보고하고 있다.[15,17] 즉 우리는 헥사고날 보른 나이트라이드 바닥을 이용할 경우 기계적, 전기적으로 충분히 평평한 그래핀을 얻을 수 있음을 알 수 있으며, 이러한 구조로부터 높은 전하 이동도 뿐만 아니라, suspended 그래핀에서 처음 보였던 분수의 양자 홀 효과 또한 얻음으로써[17], 헥사고날 보른 나이트라이드를 바닥으로 사용 했을 때 그래핀의 완벽한 이차원 전자 기체 특성을 구현 할 수 있음을 확인할 수 있다.

그림 4. (a) 그래핀과 헥사고날 보른나이드라이드의 원자 구조 모형 개략도(b). 좌 : 헥사고날 보른 나이트라이드 위에 준비된 그래핀 전자 소자의 원자력 주사탐침 현미경 이미지, 우: 산화막 실리콘 표면, 헥사고날 보론나이트라이드 표면 그리고 헥사고날 보론나이트라이드 위에 준비된 그래핀의 표면 거칠기를 비교한 히스토그램. 삽입된 이미지는 그래핀과 헥사고날 보론나이트라이드 경계면을 보여주는 주사 탐침 현미경 이미지. (c) 주사형 터널 현미경(scanning Tunneling Microscope, STM) 이용해서 얻은(좌) 헥사고날 보론나이트라이드 위와(우) 산화막 실리콘 바닥면에 준비된 그래핀의 전자‐홀 에너지 웅덩이 이미지. (d) 그래핀을 헥사고날 보른 나이드라이드 바닥면에 준비한 후 다른 온도환경에서 측정한 게이트 전압에 따른 저항 변화 그래프. [12, 15, 16]

-----------------이하 생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2012년 6월호를 참조바랍니다.)

유 영 준
-2006년 서울대학교 물리학과 이학박사
-2008~2011년 컬럼비아 대학교(Columbia University)박사 후 과정
-2012년 현재 한국전자통신연구원(ETRI) 선임연구원