사진. 한국연구재단
한국연구재단은 연세대 금현성 교수, 경북대 이태훈·박홍식 교수, 세종대 김성규 교수 연구팀이 실리콘카바이드(SiC) 기판 위에 고품질 그래핀을 초저온·초고속으로 만드는 기술을 개발하고, 이를 바탕으로 질화갈륨(GaN)·질화알루미늄(AlN) 같은 차세대 반도체 박막 제조를 성공적으로 실증했다고 밝혔다. 이 기술은 향후 저온 기반 2D 재료 합성 및 이종 에피택시 연구의 중요한 이론적 근거가 될 것으로 예상된다
기술 개요
최근 GaN·AlN과 같은 III-질화물 반도체는 전력반도체, RF 소자, 마이크로 LED 등에서 핵심적 역할을 하고 있으나, 고가의 실리콘카바이드(SiC) 기판을 고온에서 그래핀화해야만 양질의 박막을 얻을 수 있어 산업적 확장이 제한되는 문제가 있었다.
SiC 기반 그래핀 제조는 일반적으로 1,500℃ 이상의 고온이 필요해 표면이 심하게 거칠어지고(Step-bunching), 그래핀 두께가 불균일해지는 등 에피택시 품질을 저해하는 구조적 한계를 보여 왔다.
선행 연구에서는 이를 해결하기 위해 금속-촉매 기반 그래핀화(MAG)가 시도됐지만, 대부분 실리사이드 형성으로 인해 단결정 그래핀 확보에 실패하고 SiC 표면을 손상시키는 문제를 극복하지 못했다.
한편 2D 기반 에피택시(Remote Epitaxy 및 Van Der Waals Epitaxy)는 기판 재사용과 이종소재 집적이 가능한 차세대 기술로 주목받으나, 이를 위해서는 저온에서 균일하고 단결정에 가까운 그래핀/SiC 플랫폼이 필수적으로 요구됐다.
이러한 배경 속에서, 고온 공정 없이도 대면적·단결정 그래핀을 안정적으로 제조할 수 있는 새로운 접근의 필요성이 대두됐다.
연구내용
본 연구는 Ni 금속을 활용한 저온 금속-촉매 그래핀화(MAG)를 도입해, 기존 1,500℃ 이상의 고온이 아닌 500℃ 이하에서도 단결정 수준의 그래핀을 빠르게 형성할 수 있는 공정을 개발했다.
DFT 및 분자동역학(AIMD) 계산을 통해 Ni만이 SiC 분해 과정에서 탄소를 인터페이스에 안정적으로 머물게 해 그래핀을 형성하는 음의 형성에너지를 갖는다는 사실을 규명했고, Fe·Ru는 탄소를 금속 내부로 용해시키거나 비정질 구조로 붕괴시키는 양의 에너지를 가져 그래핀화가 불안정함을 밝혔다.
실험적으로 Ni 두께(8~50㎚)와 온도(320~500℃)를 조절해 단층~다층 그래핀을 정밀하게 제어할 수 있음을 확인했으며, 특히 320℃에서는 1~2층(few-layer), 500℃에서는 다층 그래핀(Multi-layer)이 수 초 이내에 형성됨을 관찰했다.
또한 저온 공정을 적용한 덕분에 실리콘카바이드(SiC) 표면에서 계단 모양으로 표면이 뭉쳐지는 현상(Step-bunching)이 발생하지 않았으며, 그 결과 원자 한 층 단위로 평평한 테라스 구조가 그대로 유지됐다. 이러한 안정적인 표면 구조를 바탕으로 질화알루미늄(AlN)과 질화갈륨(GaN) 박막을 원격 에피택시 방식과 반데르발스 에피택시 방식 모두로 성공적으로 성장시키는 데 성공했다. 그 결과 AlN의 (002)결정면에 대한 반치폭은 759아크초, GaN의 (002)결정면에 대한 반치폭은 270아크초로 측정됐으며, 이는 기존의 고온 그래핀화 공정이나 사파이어 기판을 이용한 성장 방식보다 훨씬 높은 결정성을 확보할 수 있음을 실험적으로 입증한 성과이다.
연구 방법 및 절차
본 연구는 500℃ 이하의 저온에서 대면적 SiC 기판 위에 균일하고 단결정에 가까운 그래핀을 형성할 수 있는 새로운 그래핀화 플랫폼을 제시함으로써, 2D 기반 에피택시를 위한 산업적 장벽을 크게 낮췄다.
저온 공정으로 SiC 표면이 손상되지 않고 원자적 테라스 구조가 유지되면서 AlN·GaN의 고품질 단결정 성장이 가능해졌으며, 형성된 박막은 그래핀 계면을 따라 깨끗하게 박리돼 SiC 기판을 반복적으로 재사용할 수 있는 높은 경제성을 확인했다.
이를 통해 전력반도체, RF 고주파 소자, 마이크로 LED 및 광전자 소자와 같은 고성능 장치 제조에서 기판 비용 절감과 성능 향상을 동시에 기대할 수 있으며, 이종 소재를 조합하는 3D·2D 융합 집적 기술의 폭을 크게 확장할 수 있게 됐다.
또한 Ni 기반 MAG 메커니즘을 계산·실험적으로 규명한 이번 연구는 향후 저온 기반 2D 재료 합성 및 이종 에피택시 연구의 중요한 이론적 근거가 될 것으로 예상된다.
