‘무어의 법칙’한계 돌파할 반도체 핵심 소재 기술 개발
‘무어의 법칙’한계 돌파할 반도체 핵심 소재 기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.06.03 00:03
  • 조회수 2251
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[연구진사진] 신현석(우측하단), 펑딩(좌측하단) 교수 연구팀. 출처 : UNIST
[연구진사진] 신현석(우측하단), 펑딩(좌측하단) 교수 연구팀. 출처 : UNIST

UNIST·영국 케임브리지 대학교 공동연구팀이 차세대 고집적 반도체에 들어갈 2차원 절연체 소재 합성 기술을 개발해 최고 권위 과학 저널인 Nature지에 공개했습니다. 2년마다 반도체 칩의 미세소자 집적도가 2배씩 증가한다는 ‘무어의 법칙’의 물리적 한계를 극복할 기술로 주목받고 있는데요.

 

고집적 반도체 칩의 전류누설과 발열과 같은 한계를 해결하기 위해 실리콘을 나노공정으로 얇게 깎는 대신, 이를 얇은 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴 등으로 바꾸는 반도체 칩 기술이 대안으로 꼽히고 있습니다. 하지만 이 기술을 완성하기 위해서는 칩 성능을 떨어뜨리는 전하 트랩과 전하 산란을 막을 2차원 절연체 소재 또한 꼭 필요합니다. 

 

공동 연구팀은 2차원 소재 중 유일한 절연체인 질화붕소를 원자 세 층 두께의 단결정 형태로 합성할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했습니다. 질화붕소가 두꺼울수록 절연체로 쓰기 적합한데, 그간 두께를 조절할 수 있는 합성 기술 개발이 난제로 남아 있었습니다. 

 

제1 저자인 마경열 연구원은 “상용화가 가능한 큰 크기의 육방정계 질화붕소를 합성한 사례가 Nature나 Science에 발표된바 있지만 이는 모두 원자 한 층 두께였다”라며 “원료의 농도를 미세하게 조절하는 합성방식으로 육방정계 질화붕소를 궁극적인 합성 목표인 단결정 다층 박막 형태로 합성해 낼 수 있었다”고 설명했습니다. 

단결정 육방정계 질화붕소 박막 성장 과정. 고온에서 단결정 니켈 기판 위에 보라진 전구체의 노출시간에 따라 단결정 육방정계 질화붕소 삼중층 박막이 작은 결정에서 하나의 결정으로 형성되는 과정. 출처 : UNIST
단결정 육방정계 질화붕소 박막 성장 과정. 고온에서 단결정 니켈 기판 위에 보라진 전구체의 노출시간에 따라 단결정 육방정계 질화붕소 삼중층 박막이 작은 결정에서 하나의 결정으로 형성되는 과정. 출처 : UNIST

연구팀은 육방정계 질화붕소가 단결정 형태로 합성될 수 있었던 원인도 밝혀냈는데요. 일반적으로 원자가 한 방향으로만 배열된 단결정 형태 물질은 다결정보다 품질이 우수하지만 합성하기 까다롭습니다. 분석 결과 질화붕소 합성 과정에서 사용한 니켈 기판의 표면 특성 때문에 육방정계 질화붕소가 단결정 형태로 합성될 수 있었습니다. 

[연구그림] 실제 합성된 육방정계 질화붕소를 웨이퍼에 옮긴 사진. 출처 : UNIST
[연구그림] 실제 합성된 육방정계 질화붕소를 웨이퍼에 옮긴 사진. 출처 : UNIST

신현석 교수는 “수년간 질화붕소 박막 합성 연구를 진행하면서 얻은 노하우로 2차원 절연체 소재인 육방정계 질화붕소를 단결정 다층 박막 형태로 합성해 낼 방법을 찾아냈다”고 설명했습니다. 신 교수팀은 2년 전 고집적 반도체의 신호 전달 지연을 막는 초저유전물질(비정질 질화붕소)를 개발해 Nature지에 공개한 바 있습니다. 신 교수는 이어 “최근 육방정계 질화붕소가 봉지막(보호막), 멤브레인(수소연료전지 전해질막), 차세대 이차전지 전극 소재, 양자광원 등의 소재로 쓸 수 있다는 연구 결과들이 보고된 만큼 원천 기술 확보를 위해서는 고품질 육방정계 질화붕소 생산 기술에 대한 적극적인 연구가 필요하다”라고 전했습니다.

 

이번 연구는 UNIST 화학과 신현석 교수팀, 신소재공학과 펑 딩 교수팀(IBS 다차원탄소재료 연구단 그룹리더), 화학과 로드니 루오프 교수팀(IBS 다차원 탄소재료연구단 단장), 영국 케임브리지대학교 매니쉬 초왈라 교수팀이 함께 했습니다.

논문명: Epitaxial single­crystal hexagonal boron nitride multi­layers on Ni (111)

 

#용어설명

1. 무어의 법칙(Moore’s law)

반도체 집적회로(IC칩)에 집적하는 트랜지스터(미세소자)의 밀도가 2년마다 2배로 증가한다는 법칙으로 인텔의 고든 무어가 1965년에 발견한 관찰 결과.

2. 2차원 소재(Two-dimensional materials)

원자들이 평면으로 결정구조를 이루고 있는 물질. 단일 원자 두께를 한 층으로 하며 두층 이상 쌓인 경우에 다층으로 부름. 물질이 원자 수개 두께로 얇을 뿐만 아니라 표면에 불완전한 화학결합(Dangling Bond)이 없다. 구성 원소의 종류와 조합에 따라 전도성이 도체(전기자 잘 통하는 물질), 반도체(특정 조건에만 전기가 통하는 물질), 절연체(전기가 통하지 않는 물질)특성을 가지는 물질을 만들 수 있다. 질화붕소는 유일한 2차원 절연체 물질이며, 2차원 소재로 널리 알려진 그래핀은 도체다. 

3. 전하 트랩(Charge trap)

반도체와 같은 고체 안에서 전자나 정공의 이동을 방해하는 영역. 반도체 칩(IC회로)은 전하의 흐름(전류)를 on-off하는 방식으로 작동하기 때문에 전하 트랩이 발생하면 반도체가 제 기능을 하지 못한다.

 


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