원격 에피택시 성장과 믹스 성장 방법으로 길러진 질화 갈륨의 박리 여부 모식도.

 

[대학저널 온종림 기자] GIST(광주과학기술원)는 전기전자컴퓨터공학부 이동선 교수팀이 미국 매사추세츠공과대(MIT)와 공동연구를 통해 질화갈륨 원격 에피택시 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

 

이 기술을 사용하면 웨이퍼 위에 질화갈륨 반도체를 성장시킨 뒤 쉽게 떼어낼 수 있어 하나의 웨이퍼로 반도체를 복사하듯 계속 생산할 수 있다.

반도체 구조는 크게 웨이퍼와 반도체 물질로 이뤄진다. 고품질의 반도체 물질을 성장시키려면 실리콘과 실리콘카바이드, 사파이어 등으로 만든 웨이퍼가 필수적이다. 반도체 물질은 이 웨이퍼 위에 웨이퍼와 동일하거나 유사한 물질을 아주 잘 정렬된 형태의 박막으로 성장시키는 에피택시 기술로 만들어진다.

기존 에피택시 기술로는 약 1μm(마이크로미터) 두께의 반도체 물질을 얻기 위해 대략 1000 배인 1mm 두께의 웨이퍼가 함께 소요됐고, 실제 활용되는 반도체 물질만을 떼어내어 사용하는 것은 기술적으로나 비용적인 측면에서 매우 어려운 일이었다.

지난 2017년 MIT 김지환 교수가 최초로 제안한 원격 에피택시 기술은 웨이퍼 위에 그래핀처럼 매우 얇은 2차원 물질을 올리고, 그 위에 반도체 물질을 성장시키는 독특한 기술이다.

 

그러나 산업계에서 주로 이용하는 '금속 유기화학 기상증착' 방식과 같은 고온 성장 조건에서 원격 에피택시 기술을 적용할 경우, 질화갈륨 웨이퍼 표면이 분해되어 그래핀 막이 손상되기 때문에 적용이 불가능할 것으로 판단되고 있었다.

연구진은 질화갈륨과 유사한 특성을 갖는 질화알루미늄(AIN) 웨이퍼를 도입함으로써 금속 유기화학 기상증착 방식만으로 질화갈륨 박막을 성장시키고 박리시키는 원격 에피택시 기술을 구현하는데 성공했다.

이번 연구로 원격 에피택시 기술을 통해 결정성이 높고 값비싼 질화갈륨 반도체를 산업현장에서 복사하듯 생산할 수 있는 길이 열렸다. 실제로 반도체 생산에 적용될 경우 고품질의 반도체물질을 매우 저렴한 가격에 양산할 수 있게 된다.

이동선 GIST 교수는 “이번 연구 성과로 박리까지 가능한 질화갈륨 원격 에피택시 기술을 구현하는 방법과 필수 조건을 제시할 수 있었다”며 “MIT와 지속적인 연구 교류를 통해 원격 에피택시 기술과 같은 반도체 초격차 기술을 개발하겠다”고 말했다.

이번 연구는 재료과학‧화학 분야의 저명 국제학술지인 ‘ACS Nano’에 6월 6일 게재됐다.

 

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