차세대 고집적 반도체 핵심 소재 기술 개발

- 두께 조절할 수 있는 단결정형태 질화붕소 합성 기술 최초 개발

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 울산과학기술원 신현석 교수 연구팀이 세계 최초로 육방정계 질화붕소(hBN)¹ 단결정을 여러층으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
  육방정계 질화붕소는 차세대 고집적 반도체에서 발생할 수 있는 전하 트랩전하 산란 같은 기능 저하를 막을 수 있는 유일한 2차원 절연체 소재로 알려져 있다. 차세대 고집적 반도체는 실리콘을 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2) 등으로 바꿔 전류누설, 발열 등의 문제를 해결하고 칩의 집적도를 높이는 기술이다.
  하지만, 이 고집적 반도체는 이황화몰리브덴이 웨이퍼에 직접 닿게 되면 전하가 갇히는 전하 트랩 현상이 발생하기 때문에 웨이퍼와 이황화몰리브덴을 물리적으로 분리할 절연체가 꼭 필요하다. 또한, 전하 산란을 막기 위해서는 절연체 소재 또한 이황화몰리브덴과 동일한 2차원 소재로 써야한다. 2차원 소재⁴⁾는 구성 원자끼리 2차원 평면 형태로 연결되어 있어, 실리콘과 같이 3차원 구조 소재에서 문제가 될 수 있는 전하 산란이 발생하지 않는다.
  그동안 2차원 절연체 소재를 반도체 소자에 쓸 수 있을 만큼 적절한 두께를 갖는 단결정 형태로 합성하는 기술 개발이 난제였다. 연구팀은 합성에 필요한 재료의 농도를 조절하는 새로운 합성 방식을 통해 두께 조절이 가능한 육방정계 질화붕소 단결정을 합성할 수 있었다. 상용화가 가능한 큰 크기의 육방정계 질화붕소를 합성한 사례가 그간 네이처(Nature)나 사이언스(Science)에 발표된 바 있지만, 단결정을 다층 박막 형태로 합성한 것은 이번이 세계 최초이다.
  신현석 교수는 “이번 연구로 무어의 법칙으로 대표되는 기존 고집적 반도체의 물리적 한계를 해결할 수 있는 소재 합성 기술을 개발했다”고 연구성과의 의미를 전했다. 또한, “육방정계 질화붕소를 반도체뿐만 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 덧붙였다.
  과기정통부 미래기술연구실, 리더연구, 기초연구실사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지인 네이처(Nature)에 6월 2일 게재됐다.

[그림 1] 다층 다결정 형태 육방정계 질화붕소가 합성되는 과정 결정의 씨앗 역할인 핵이 자라 만들어진 결정 섬들이 합쳐져 다층 다결정 육방정계 질화붕소가 합성된다. (그림제공 : UNIST 신현석 교수)

[그림 2] 실제 합성된 원자 3층 두께의 육방정계 질화붕소를 실리콘 웨이퍼에 옮긴 사진. (그림제공 : UNIST 신현석 교수)

논문명 : Epitaxial single-crystal hexagonal boron nitride multi-layers on Ni (111)/ Nature

저자정보  : 마경열(제1저자), 레이닝 쟝(Leining Zhang)(제1저자), 진성환, 얀 왕(Yan Wang), 윤성인, 황현태, 오주승, 정다솔, 메이훼이 왕(Meihui Wang), 샤하나 채터치(Shahana Chatterjee), 김광우, 장아랑, 양지은, 류순민, 정후영, 로드니 루오프(Rodney Ruoff)(교신저자), 매니쉬 초왈라(Manish Chhowalla)(교신저자), 펑 딩(Feng Ding)(교신저자), 신현석(교신저자)

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