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.

▲ IBS 다차원 탄소재료 연구단의 연구가 게재된 국제학술지 ‘Nano Letters’ 표지의 모습.

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 이종훈 그룹리더(UNIST 교수)와 펑딩 그룹리더(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. 이번 연구는 울산과학기술원(UNIST), 포항공대(POSECH)와 공동으로 진행했다.

2차원 흑린은 ‘포스트(post) 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.

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

▲ 연구진은 흑린 사이에 구리 원자를 삽입하는 공정을 통해 0.43nm 두께의 전도성 채널을 구현했다.

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

연구결과는 4월 9일 화학분야 권위지인 미국화학회지(JACS) 온라인 판에 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬