공지사항

기계 안지환 교수팀, 2차원 소재 상용화를 위한 길, 자외선 원자층 공정으로 한 걸음 더 나아가다

Author
POSTECH AIF
Date
2024-01-05 16:43
Views
335
[POSTECH · 서울과기대 · 싱가포르 난양공대 공동 연구팀, 고품질 그래핀-유전막 계면 구현하는 원자층 공정 및 장비 기반 기술 개발]

매우 얇고 유연하면서도 강도와 전기 전도성이 우수한 그래핀(Graphene)은 2004년 대중에게 처음 알려졌지만 소자로 구현하기 위해서는 공정상의 많은 과제들이 존재했다. 예를 들어 그래핀 전극 기반 트랜지스터 제작을 위해서는 그래핀 표면에 매우 얇은 유전막*1을 증착해야 하는데, 많은 공정들은 진행 중 그래핀의 전기적 성질을 떨어뜨리거나 결함을 유발하는 문제점이 있었다.

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이번 연구에서 연구팀은 최초로 2차원 소재인 그래핀 표면 유전막 증착 공정에 UV-ALD를 적용했다. ‘원자층 증착 공정(Atomic layer deposition, 이하 ALD)’은 기판에 원자층 단위로 두께가 제어되는 매우 균일하고 얇은 막을 입히는 방법으로, 최근 반도체 소자의 미세화에 따라 중요성 및 활용도가 급격히 상승하고 있다. 이 공정에 자외선을 결합한 UV-ALD은 기존 ALD에 비해 치밀한 유전막 증착이 가능하다고 알려져 있으나, 그래핀과 같은 2차원 소재 가공 공정에 적용된 사례는 없었다.

연구팀은 그래핀 표면상 원자층 유전막 증착 시 저에너지(10 eV*2이하) 자외선을 조사해주며 공정을 진행했다. 그 결과, 특정 조건(공정 사이클당 5초 이내)에서 특성 저하 없이 그래핀 표면을 활성화시킴과 동시에 저온(섭씨 100도 이하)에서도 고밀도 · 고순도 원자층 유전막 증착이 가능함을 입증하였다. 또한 UV-ALD 공정을 활용한 그래핀-유전막 기반 트랜지스터(Graphene-FET) 구현 시, 그래핀의 우수한 전기적 특성이 그대로 보존되어 기존 ALD 공정 활용 대비 전하 이동도가 약 3배 높아짐과 동시에, 그래핀 표면 결함 감소로 인해 디락 전압*3도 크게 낮아지는 것으로 확인되었다.

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연구를 이끈 안지환 교수는 “자외선과 결합된 원자층 유전막 증착 공정을 이용해 고품질의 그래핀-유전막 계면을 형성할 수 있었다”며, “2차원 소재 특성 저하없이 균일한 원자층 유전막을 증착한 이번 연구 결과가 향후 2차원 소재 기반의 차세대 반도체 소자 및 에너지 소자 공정 개발에 도움이 되길 바란다”는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소지원사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부의 나노융합산업핵심기술개발사업의 지원으로 진행됐다.



1. 유전막(dielectric film)
전기가 잘 통하지 않는 물질로 만들어진 얇은 층으로 전자기기 내부에서 전기 신호를 정확하게 전달하고, 다른 부품에 영향을 미치지 않도록 막아주는 역할을 한다.


2. 전자볼트(eV)
전기를 띤 입자가 가진 에너지의 측정 단위로, 1eV는 1V의 전압에서 1개의 전자를 가속할 때 전자가 얻는 운동에너지의 크기다.


3. 디락 전압(Dirac Voltage)
디락 전압은 전도율이 최소가 되는 게이트-소스 간 전압을 말하며, 이상적인 그래핀 일수록 0V에 가까운 값을 보이게 된다.