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차세대 그래핀 흑린으로 ‘초극미세 반도체’ 만든다

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- IBS 다차원 탄소재료 연구단, 선폭 0.43nm 전도성 채널 및 1nm 반도체 채널 구현

헤럴드경제

이번 연구성과가 게재된 국제학술지 '나노레터스' 표지. [IBS 제공]

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[헤럴드경제=구본혁 기자] 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 그룹리더와 펑딩 그룹리더(이상 울산과학기술원(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.

2차원 흑린은 ‘포스트 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.

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 결함에 관한 연구는 상대적으로 미비했다. 이에 연구진은 이 문제를 해결하기 위한 연구에 착수했다.

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. 또한 전도체‧반도체‧전도체로 이뤄진 반도체의 기본 소자 구조를 2nm 이하 수준에서 형성할 수 있음도 확인했다.

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이종훈 IBS 다차원탄소재료연구단 그룹리더.[IBS 제공]

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

이번 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘나노레터스’ 7월 29일 표지논문으로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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