^*전하 트랩: 전하가 갇히는 현상. 반도체 칩은 전하의 흐름을 조절해 작동하는 방식이라 전하 트랩이나 전하 산란이 발생하면 제 기능을 할 수 없다. 웨이퍼(기판) 위에 절연체를 깐 뒤 그 위에 2차원 반도체를 올려야 2차원 반도체가 웨이퍼와 직접 닿아 생기는 전하 트랩을 막을 수 있다.

^*전하 산란: 전하 산란은 일반 물질 표면에 노출된 불완전한 화학결합인 ‘댕글링 본드’ 때문에 발생하는데, 2차원 물질은 구성 원자끼리 2차원 평면 형태로 연결되어 있어, 이러한 댕글링 본드가 없고 전하 산란이 발생하지 않는다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

손톱만한 반도체칩 안에는 수십억 개의 미세소자가 들어있다. 무어의 법칙1)은 이 미세소자(트랜지스터)를 나노공정으로 더 작고 얇게 만들어 매 2년 마다 칩 안에 집어넣는 미세소자 숫자를 2배씩 늘린다는 법칙이다. 이를 통해 동일한 웨이퍼(둥근 실리콘 기판)에 만드는 칩 숫자를 늘려 생산성을 높일 수 있고, IoT(사물인터넷), 자율주행 등에 필요한 초미세 칩도 구현 할 수 있다.

하지만 미세소자 원료인 실리콘을 계속 얇게 깎아내 소자를 미세화 할수록 단채널 효과(누설전류 및 발열 문제로 인한 트랜지스터 채널 손상)와 표면의 댕글링 본드(dangling bond)에 의한 전하 산란 같은 문제점들이 발생 한다.

‘무어의 법칙’의 물리적 한계를 극복하기 위한 후보 물질로 2차원 소재2)가 대두되고 있는 이유다. 미세소자 안에 들어가는 반도체 실리콘을 이황화몰리브덴같은 2차원 반도체 소재로 대체하는 기술이다.

2차원 소재는 그 두께가 자체가 원자 수준으로 얇아 원자 수준의 채널을 전류 누설과 같은 문제없이 구현할 수 있으며, 표면에 불완전한 화학결합(댕글링 본드)이없어 댕글링본드 때문에 발생하는 전하 산란을 억제할 수 있다.

하지만, 2차원 반도체를 쓴 미세소자를 완벽히 만들기 위해서는 2차원 절연체를 기판과 반도체 소재를 분리하는 역할로 반드시 써야한다. 원자 두께의 2차원 반도체 소재를 절연체 없이 기존 반도체 기판 위에 바로 사용하면, 기존 기판의 표면이 2차원 반도체 소재의 전하 산란 및 전하 트랩3)과 같은 문제를 야기할 수 있다.

2. 연구내용

육방정계 질화붕소4)는 이러한 조건을 만족하는 유일한 2차원 절연체 물질이다. 기판과 2차원 반도체를 완벽히 분리하기 위해서는 다층의 단결정5) 육방정계 질화붕소 박막 형태가 가장 바람직하다.

연구팀은 화학기상증착6) 방법을 이용해 단결정 니켈(Ni(111)) 기판 위에서 대면적으로 삼중층 hBN 단결정 박막을 에피택시 성장(epitaxy growth)7)시키는데 성공했다.

단결정 니켈 기판 표면에 보라진(borazine) 전구체를 고온에서 노출시켜주면 작은 hBN 결정 조각들이 만들어지고 시간이 지남에 따라 결정 조각들이 커지면서 단결정 박막으로 합쳐지는 과정이 주사전자현미경(SEM)으로 관찰되었고, 원자힘현미경(AFM)으로 박막의 두께와 대면적에서 박막의 균일도가 라만 분광(Raman spectroscopy) 분석법으로 확인되었다.

투과전자현미경(TEM) 관찰을 통해 성장된 삼중층 hBN이 단결정 니켈과 에피택시 관계로 성장되었으며, 원자 배열 또한 규칙적이고 하나의 배향을 갖는 단결정임이 확인되었다.

실험결과를 바탕으로 이론적인 계산을 통해 단결정 니켈 표면에 존재하는 스텝 엣지(step edge)8)에 의하여 hBN 결정이 특정한 한가지 배향으로만 만들어진다는 것이 규명되었다.

연구팀은 또한 삼중층 hBN 단결정 박막이 수소발생촉매에 보호층으로 작용하는 것과 2차원 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS2) 기반의 반도체 소자에서 의도하지 않은 도핑을 방지해주는 배리어(barrier) 역할로 작용하는 것을 보여주었다.

3. 기대효과

육방정계 질화붕소(hBN)를 다층 단결정 형태의 대면적 박막으로 에피택시 성장시키는 기술은 차세대 2차원 반도체뿐만 아니라 봉지막, 멤브레인(수소연료전지 전해질막), 차세대 이차전지 전극 소재, 양자 광원 등의 개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대된다.

육방정계 질화붕소(hBN)는 원자 수준의 평평한 표면과 열적, 화학적으로 매우 안정한 특징을 가지고 있기 때문에 봉지막9) 코팅과 멤브레인(연료전지 전해질막)10), 등으로도 활용될 수 있다고 알려져 있다. 이 물질을 실질적인 응용하기 위해서는 단일층보다 내구성이 우수한 다층으로 이루어진 박막이 필요하다.

최근 고품질의 단일층 hBN 박막을 대면적으로 성장시키는 방법들이 보고되고 있지만, 원자 수준의 두께를 조절하는 것은 극히 어렵기 때문에 다층 hBN을 대면적 단결정으로 제작하는 방법에 대한 연구가 미흡한 상황이었다.

[붙임] 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.

4. 육방정계 질화붕소(Hexagonal boron nitride)

붕소(B)와 질소(N)로 이루어진 육각형 벌집구조 모양의 2차원 소재. 전기전도성이 없는 절연성인 부도체임. 구조적으로 그래핀과 유사하여 ‘화이트 그래핀’으로 불림.

5. 단결정(Single crystal)

전체 원자가 규칙적으로 배열하며, 한 방향으로만 정렬돼 하나의 결정을 이루는 것. 다결정 형태보다 합성하기 어렵다.

6. 화학기상증착(Chemical vapor deposition)

가스 형태의 화학 물질과 열을 이용하여 고체 표면(기판)에 박막을 형성시키는 기술. 이번 연구에서는 니켈을 기판으로 활용했다.

7. 에피택시 성장(Epitaxy growth)

결정 기판 위에 일정한 방향성의 단결정을 성장시키는 방법으로 방향성이 같은 작은 결정 조각들이 생성되고 하나의 큰 결정으로 합쳐지는 것.

8. 스텝엣지(Step edge)

결정 표면에 원자가 한 층씩 계단처럼 쌓인 구조. 

9. 봉지막(Encapsulation layer)

공기나 수분에 민감하게 반응하는 소재 또는 소자를 외부 환경으로부터 완전히 차단하는 막. OLED TV 등에 봉지막 기술이 쓰이고 있다.

10. 멤브레인(연료전지 전해질막)(Membrane)(Proton exchange membrane for fuel cell)

전지 내부에서 양극과 음극 사이에 수소 이온만 통화시키고 산소와 수소가스는 막아주는 미세한 구멍을 갖추고 있는 절연 소재.

[붙임] 그림설명

그림1. 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

그림2. 단결정 니켈 위에서 단결정 육방정계 질화붕소 삼중층 박막 성장 결과. (a) 고온에서 보라진 전구체의 노출시간에 따라 작은 결정에서 하나의 단결정 박막으로 합쳐지는 과정의 SEM 이미지. (b) 산화실리콘 기판으로 전사한 대면적 육방정계 질화붕소 단결정 박막의 실제 사진 및 AFM 두께 측정 결과. (c) 육방정계 질화붕소의 Raman 스펙트럼. (d) 대면적에서 측정한 라만 스펙트럼 맵핑 이미지.

그림3. 삼중층 육방정계 질화붕소 단결정 박막의 원자배열 분석. (a) 비정질 실리콘 나이트라이드 박막-TEM 그리드 위에 전사한 질화붕소 박막의 SEM 이미지. (b) 9곳의 위치에서 확인한 SAED 패턴 측정결과. 9개 이미지의 육각형 패턴의 수평선 기준 각도 평균 표준편차는 36.52±0.24°로 특정한 한 방향을 나타냄. 합성된 물질이 단결정형태 임을 입증하는 데이터다.