우리가 사용하는 전자제품은 크고 작은 전기 회로가 들어있다. 이 전기 회로는 절연 기판 위에 축전기, 저항기, 다이오드 등의 작은 전자소자가 더해져 구성된다. 전하는 절연 기판 표면에 프린팅 된 구리 등의 전선을 타고 각 소자로 이동한다. 특히 아주 얇은 원자층으로 구성된 소자의 경우 전하의 흐름이 기판 간의 상호작용 영향을 많이 받으며, 기판과의 상호작용을 최소화시켜야 전하의 이동속도가 빨라진다. 이와 마찬가지로 다양한 반도체 소자 구현 시 이산화규소 등의 산화물 기판을 사용하는데, 이 경우 기판과 소재 사이에 강한 상호작용이 발생해 전하의 이동에 제약이 생긴다.

IBS 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 연구팀은 전자소재 및 소자의 성능을 손실 없이 구현할 수 있는 2차원 보론 나이트라이드(이하 h-BN) 절연체 기판 개발에 성공했다. 붕소와 질소로 이루어진 h-BN은 육각형(Hexagonal) 벌집구조 모양의 2차원 물질로 부도체의 성질을 띠어 기판과 전자소재 및 소자간의 상호작용을 최소화할 수 있다. 그렇기 때문에 소재 및 소자의 성능을 온전히 유지 시킬 수 있는 신물질로 각광받고 있다. 세계 최초로 상용화가 가능한 대면적 크기의 h-BN 박막의 추출 기술 개발로 향 후 이를 활용한 차세대 기판과 2차원 전자소자 구현이 앞당겨질 전망이다.

기존의 h-BN은 보라진을 구리 기판 위에 화학기상 증착법으로 증착시켜 제작했으며, 원소비율 제어가 어렵고 두께가 매우 얇아 기판으로 사용이 불가능했다. 이에 연구진은 철 기판을 사용하여, 두꺼우면서 면적이 넓고 결정성이 높은 h-BN 박막을 만들어 낼 수 있었다. h-BN 박막은 철 기판에서 다른 소재의 기판으로 옮기는 것도 용이해 다양한 구조의 고성능 전자 소자 개발을 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

* 보라진 : 3개의 NH기와 3개의 BH기가 평면 6각형 고리를 형성하며 결합되어 있는 화합물
* 화학기상 증착법 : 반도체 등의 집적회로(IC) 제조공정에서 열·전기로 원료 가스의 화학 작용을 유도해 웨이퍼 상에 박막을 형성하는 기술

나아가 h-BN 기판에 다수의 이차원 전자 소재를 적용해 소재의 성능 향상을 수치상 검증하였고, 화학기상 증착법으로 형성된 단일층 이셀렌화텅스텐에서는 전하이동도가 이산화규소 산화물 재료 기판 대비 150배 높게 측정할 수 있었다. 연구진은 결함이 적고, 전자 소재와 상호 작용이 거의 없는 이상적 기판 소재인 h-BN 박막을 사용하면, 어떤 2차원 물질이라도 소재의 본연의 성능을 살릴 수 있음을 밝혔다. 이번 연구성과는 과학저널 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)에 10월 28일자에 온라인 게재되었다.

▲ (좌) 화학기상 증착기를 이용한 h-BH 제작
▲ (우) 투과전자현미경(TEM)을 통한 철(Fe) 기판에 증착한 다증층 h-BN 촬영

▲ (좌) 높은 기계적 강도 / (우) 전하 이동도 수치

▲ 2차원 소자의 도핑 효과 감소

대외협력실 김한섭