GIST, 금속유기화학 기상증착법만으로 구현
웨이퍼 위에 2차원 물질 형성 후, 성장시켜 떼어내
웨이퍼 위에 2차원 물질 형성 후, 성장시켜 떼어내
광주과학기술원(GIST)은 이동선 전기전자컴퓨터공학부 교수 연구팀은 금속유기화학 기상증착법만으로 질화갈륨 반도체을 생산할 수 있는 '원격 호모 에피택시 기술'을 개발했다고 14일 밝혔다.
질화갈륨은 기존 반도체 소재인 실리콘에 비해 고속 스위칭, 저손실·고효율에 장점을 지녀 차세대 전기차용 전력반도체 물질로 주목받고 있다. 에피택시 기술은 반도체 물질을 아주 잘 정렬된 형태의 박막으로 성장시키는 것으로, 반도체 제작에 필수적이다.
기존 에피택시는 기술적 한계로 실제 활용되는 약 1마이크로미터 두께의 반도체 물질을 얻기 위해 1000배인 1㎜ 두께의 웨이퍼를 사용해야 한다. 이런 한계를 지난 2017년 김지환 미국 MIT 교수 연구팀이 '원격 에피택시 기술'을 제안해 극복했다.
이 기술은 웨이퍼 위에 그래핀처럼 매우 얇은 2차원 물질을 형성하고, 그 위에 반도체 물질을 성장시키는 방식이다. 웨이퍼 특성을 그대로 복사한 박막 형태의 고품질 반도체 물질을 얻을 수 있고, 웨이퍼에서 박리(떼어냄)까지 할 수 있어 이론적으로 웨이퍼를 무한히 재사용할 수 있다. 사파이어 웨이퍼보다 100배 비싼 질화갈륨 웨이퍼를 재사용할 수 있어 원격 에피택시 기술이 주목받고 있다.
하지만, 지금까지 분자 빔 에피택시법과 금속유기화학 기상증착법을 함께 사용해야 질화갈륨 원격 에피택시 기술 구현이 가능하다. 금속유기화학 기상증착법만을 적용하면 고온 성장 조건에서 질화갈륨 웨이퍼 표면이 분해돼 2차원 물질 삽입층이 손상될 수 있다.
연구팀은 개발한 질화갈륨 원격호모-에피택시 기술은 산업계에서 널리 쓰고 있는 금속유기화학 기상증착 방식만으로 2차원 물질이 형성된 질화갈륨 웨이퍼 위에 저온 질화갈륨 완충층을 성장시켜 2차원 물질을 완벽히 덮어 보호한다. 이를 기반으로 질화갈륨 웨이퍼 위에 2차원 물질을 형성한 후, 웨이퍼와 동일한 품질의 질화갈륨 반도체를 성장시켜 쉽게 떼어낼 수 있어 마치 복사하듯 계속 질화갈륨 반도체를 생산할 수 있다.
이동선 GIST 교수는 "그동안 불가능하다고 여겨졌던 질화갈륨 원격 호모-에피택시 기술을 구현한 것으로, 아직 초기 단계지만 향후 마이크로 LED, 차세대 질화갈륨 전력반도체 시장에서 기술을 선도하는 데 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구결과는재료화학 분야 국제 학술지 'ACS 어플라이드 머터리얼즈&인터페이스(지난해 12월 12일)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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