국내 연구진 ‘2차원 반도체 핵심 소재 기술’ 세계 최초 개발

UNIST팀, 국제학술지 네이처 발표
“실리콘 소재 성능한계 뛰어넘어”

실제 합성된 원자 3층 두께의 육방정계 질화붕소를 실리콘 웨이퍼에 옮긴 모습. 신현석 교수 제공

신현석 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀이 2차원 반도체의 핵심 소재 기술을 세계 최초로 개발해 2일 국제학술지 ‘네이처’에 발표했다. 2차원 반도체는 현재 실리콘을 사용하는 반도체 소재를 대체해 성능의 한계를 뛰어넘는 새로운 반도체를 말한다. 현재 집적도를 더 이상 높이기 어려운 반도체의 물리적 한계를 넘는 대안이 될 것으로 보인다.

연구팀은 2차원 반도체를 구현하는 데 필요한 2차원 절연체인 ‘육방정계 질화붕소’를 여러 층으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다. 원자들이 평면 결정 구조를 이루는 2차원 소재는 두께가 단일 원자 수준으로 얇아 전류가 누설되지 않고 표면에 불완전한 화학결합이 없어 전하가 안정적으로 이동하는 장점이 있다.

문제는 2차원 반도체 소재를 기판(웨이퍼)에 사용할 경우 전자의 이동을 방해하는 영역인 ‘전하 트랩’이 발생한다는 점이다. 기판과 2차원 소재를 물리적으로 분리하는 육방정계 질화붕소 같은 2차원 절연체가 필요한데 분리에 사용하도록 여러 층으로 합성할 수 있는 기술이 아직 확보되지 않았다.

연구진은 육방정계 질화붕소의 다층 합성에 필요한 재료의 농도를 조절하는 새로운 합성 방식을 개발해 두께 조절이 가능한 육방정계 질화붕소를 합성하는 데 성공했다. 신 교수는 “고집적 반도체의 물리적 한계를 해결하는 소재 합성 기술로, 생산 기술 확보를 위한 추가 연구가 필요하다”고 말했다.