IBS(기초과학연구원·원장 노도영)는 이종훈 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(UNIST 교수)와 펑딩 그룹리더(UNIST 교수) 연구팀이 POSTECH 연구팀과 공동으로 2차원 흑린을 이용해 선폭 4.3Å(0.43nm)의 전도성 채널을 구현했다고 1일 밝혔다.

이는 나노미터 한계를 뛰어넘어 옹스트롬(Å‧1Å은 0.1nm) 단위 선폭의 초극미세 반도체 소자 가능성을 실험적으로 제시한 것으로 평가된다. 연구팀에 의하면 2차원 흑린은 포스트 그래핀 시대의 주역이 될 반도체 소재로 꼽힌다. 두께가 원자 한층 정도여서 실리콘 기반 반도체로 구현하기 힘든 유연하고 투명한 소자에 이용 가능하다. 또 2차원 반도체 소재 중 전자이동도가 가장 크다. 그래핀과 달리 '밴드 갭(band gap)이 있어 전기를 통하게 했다가 통하지 않게 하는 제어가 쉽다는게 연구팀의 설명이다.

그동안 흑린 등 2차원 물질들을 반도체 소자로 활용하려는 시도들이 많았다. 그 결과 물질들의 전기적 특성 측정과 응용 관점에서 많은 발전이 이뤄졌다. 하지만 2차원 물질들을 실제 소자화하는 공정 과정에서 발생하는 결함 연구는 상대적으로 적었다. 

연구팀은 이런 문제를 해결하고자 연구에 착수했다. 우선 전극으로 활용될 수 있는 전도성 채널을 만들고자 다층의 2차원 흑린 각 층 사이에 구리 원자를 삽입했다. 흑린에 얇은 구리 박막을 증착한 후 열처리를 하는 간단한 공정을 진행, 구리 원자가 2차원 흑린에 0.43nm의 미세한 폭을 유지되며 삽입되도록 했다. 연구진은 원자분해능 투과전자현미경을 통해 이를 규명했다. 또 2nm 이하 수준에서 반도체 기본 소자 구조를 형성할 수 있음도 확인했다.

제1저자인 이석우 연구원은 "2차원 반도체 물질인 흑린을 이용한 초미세 반도체 소자 실현 가능성을 보여준 연구"라면서 "현재 반도체 공정에 사용될 수 있는 고상확산법을 이용해 실제 응용 효과가 클 것"이라고 설명했다.

이종훈 그룹리더는 "흑린은 2차원 반도체 소자 분야에서 그래핀을 능가할 물질로 각광 받는다"면서 "기존 나노미터 한계를 뛰어넘는 초극미세 소자로서의 활용 가능성을 확인했다"고 말했다.

한편 연구결과는 나노분야 국제 학술지인 나노레터스 표지논문으로 지난달 29일 게재됐다.