반도체/그래핀 다중이종구조 제조기술 개발

[산업일보]
샌드위치처럼 그래핀의 양면에 반도체를 동시에 집적시키는 기술이 개발됐다. 현미경을 이용한 수작업이 필요 없어 그래핀 기판을 이용한 대면적 고밀도 소자 제작에 활기를 불어넣을 것으로 기대된다.

세종대학교 그래핀연구소 나노신소재공학과 홍영준 교수와 포스텍 화학과 김광수 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 대학중점연구소지원사업 및 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 국가과학자지원사업의 지원으로 수행됐다.

연구결과는 신소재 분야 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 12월 17일자 뒷표지 논문으로 게재됐다.(논문명 : Van der Waals Epitaxial Double Heterostructure: InAs/Single-Layer Graphene/InAs)

얇고 전기전도도가 우수한 그래핀은 양쪽성으로 도핑할 수 있어 투명하고 유연한 전자소자 구현을 위한 차세대 기판으로 주목받고 있다. 하지만 다른 물질과 결합할 수 있는 표면전자가 거의 없는 그래핀 표면에 반도체를 집적하는 기술을 개발하는 것이 관건이었다.

연구팀은 반데르발스 인력을 이용하는 방식으로 그래핀 상하부 표면에 인듐비소 반도체를 증착시키는 데 성공했다. 반데르발스 인력은 전기적으로 중성(또는 무극성)인 분자들이 서로 당기는 약한 정전기력으로 기체, 액체, 고체에 존재하는 인력의 본질이지만 그 힘은 매우 약하다. 인듐비소 반도체는 인듐과 비소가 섬아연 결정구조로 결합된 III-V족 화합물 반도체를 말한다.

기존 방식은 현미경으로 관찰하면서 그래핀 위에 반도체를 증착시키는 수작업으로 대면적의 반도체 공정에는 적합하지 않았다. 화학결합이 아닌 반데르발스 인력을 이용할 수 있게 돼 그래핀처럼 화학결합은 할 수 없지만 물성이 뛰어난 다양한 나노 소재를 반도체 기판으로 활용할 길이 열릴 전망이다.

그래핀을 공중에 띄운 상태에서 그래핀의 앞뒷면에 인듐비소를 증착시켜 약 50~60% 수율로 샌드위치 형태의 인듐비소/그래핀/인듐비소 이중이종접합 구조를 얻어냈다. 반데르발스 인력으로 인해 벌집 모양 격자구조인 그래핀 표면의 원자배열을 따라 육각형 격자구조를 갖는 인듐비소가 단결정을 이룬 데 따른 것이다.

한편, 특이하게도 그래핀을 사이에 둔 인듐비소 반도체가 서로 다른 극성 방향을 갖는 것으로 나타났는데 이는 매우 드문 현상이다. 포스텍 김교수 연구팀은 이론계산을 통해 그래핀의 뛰어난 전하차폐 능력으로 샌드위치 형태의 인듐비소/그래핀/인듐비소 이중이종구조를 쉽게 제조할 수 있음을 입증했다.

홍영준 교수는 “새로운 형태와 구조의 반도체 소자를 제조하는데 중요한 물질인 그래핀에 반도체 나노소재를 집적하게 되면 새로운 기능을 가지는 소자들을 제조할 수 있을 것”이라고 밝혔다.