세종대학교(총장 배덕효) 나노신소재공학과 홍영준 교수, 서울대학교 장소연 교수, 성균관대 김동환 교수가 미국 코넬대 데렐 쉴롬(Darrell Schlom) 교수와 MIT의 김지환 교수와의 국제공동연구를 통해 성장 후 기판에서 쉽게 분리가 가능한 반도체 원격 에피성장 기술의 원리를 규명했다. 

원격 에피성장 기술은 그래핀과 같은 이차원 물질이 코팅돼 있는 기판을 사용해 기판과 화합결합 없이 기판과 동일한 결정방향과 구조의 단결정 반도체 에피층을 제조하는 방법이다. 이 기술은 2017년에 미국 MIT 연구진에 의해 처음으로 개발돼 발표됐으며, 기판에서 반도체 에피층을 간편하게 분리할 수 있어 다양한 물질의 에피층을 수직으로 쌓아 다기능 초정밀 광·전자 집적회로 제작이 가능하다는 점 때문에 많은 관심을 받고 있다. 그러나 그래핀에 존재하는 미세 결함을 통한 핵생성 및 측면 에피성장이 원격 에피성장의 원인이 될 수 있다는 주장도 있었다.

연구팀은 원격 에피성장 초기단계의 수 나노미터 크기의 에피결정을 투과전자현미경으로 관찰해 미세결함이 전혀 없는 그래핀 영역에서도 원격 에피성장을 위한 핵생성이 시작되고 에피층으로 성장되는 것을 확인했다(그림 왼쪽). 또한 규칙적인 미세결함 패턴이 형성된 다층그래핀 기판을 활용해 미세결함을 통한 측면성장 에피택시법으로는 단결정 에피층 성장이 불가능함을 입증했다(그림 오른쪽). 

연구팀은 그래핀을 한층 한층 적층해 미세 결함을 보완하는 방식으로도 원격 에피택시가 가능함을 밝혔고, 동일한 품질의 그래핀이 코팅된 다양한 기판에서 성장 온도를 조절하면 원격 에피택시의 핵생성 밀도가 변화한다는 실험을 통해 미세결함이 아닌 기판과 원격 에피 상호작용이 실재함을 입증했다. 
 
이 연구결과는 화학결합을 하지 않는 신개념 반도체 에피제조기술의 원리를 규명했다는 점을 인정받아 미국과학진흥회(American Association for the Advancement of Science)에서 발간하는 융합학술저널 “Science Advances”에 지난 10월 20일 “Remote epitaxial interaction through graphene”라는 제목의 논문으로 게재됐다. 

이번 연구는 교육부의 기초과학연구역량강화사업과 과학기술정보통신부의 나노및소재기술개발사업, 보건복지부의 보전의료기술연구개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 금속유기화합물 첨단소재응용 핵심연구지원센터의 유기금속화학기상증착 장비가 활용됐다. 

논문 게재 웹: https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adj5379 
DOI: 10.1126/sciadv.adj5379 

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