홍영준 세종대 교수, 원격 에피성장기술 원리 규명

세종대학교는 최근 홍영준 나노신소재공학과 교수가 한-미 국제공동연구를 통해 성장 후 기판에서 쉽게 분리할 수 있는 반도체 원격 에피성장 기술의 원리를 규명했다고 31일 밝혔다.

홍 교수는 장소연 서울대 교수, 김동환 성균관대 교수, 데렐 쉴롬(Darrell Schlom) 美코넬대 교수, 김지환 美매사추세츠공대(MIT) 교수 등과 함께 이번 연구를 수행했다.

MIT 연구진이 2017년 개발한 원격 에피성장 기술은 그래핀과 같은 이차원 물질이 코팅된 기판을 사용한다. 화합결합 없이 기판과 동일한 결정방향 및 구조를 가진 단결정 반도체 에피층을 제조하는 기술이다.

해당 기술은 기판에서 반도체 에피층을 손쉽게 분리할 수 있어 다양한 물질의 에피층을 수직으로 쌓아 다기능 초정밀 광·전자 집적회로 제작이 가능하다. 그러나 그래핀에 존재하는 미세 결함을 통한 핵생성과 측면 에피성장이 원격 에피성장의 원인이 될 수 있다는 주장도 존재했다.

연구팀은 원격 에피성장 초기단계의 수 나노미터 크기의 에피결정을 투과전자현미경으로 관찰해 미세결함이 전혀 없는 그래핀 영역에서도 원격 에피성장을 위한 핵생성이 시작되고, 에피층으로 성장되는 것을 확인했다. 또 규칙적인 미세결함 패턴이 형성된 다층그래핀 기판을 활용해 미세결함을 통한 측면성장 에피택시법으로는 단결정 에피층 성장이 불가능하다는 것을 입증했다.

또 그래핀을 한층씩 쌓아 미세 결함을 보완하는 방식으로도 원격 에피택시가 가능하다는 사실을 확인했다. 이어 실험을 통해 동일한 품질의 그래핀이 코팅된 다양한 기판에서 성장 온도를 조절하면 원격 에피택시의 핵생성 밀도가 변화하고, 미세결함이 아닌 기판과 원격 에피 상호작용이 실재함을 증명했다.

한편 이번 연구는 △교육부의 '기초과학연구역량강화사업' △과학기술정보통신부의 '나노및소재기술개발사업' △보건복지부의 '보전의료기술연구개발사업' △금속유기화합물 첨단소재응용 핵심연구지원센터 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 미국과학진흥회에서 발간하는 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 'Remote epitaxial interaction through graphene'이라는 제목으로 게재됐다.

세종대학교 전경./사진제공=세종대