POSTECH 연구팀, 차세대 반도체 핵심 ‘2차원 박막’ 내부 숨은 결함 빛으로 찾아낸다

- 류순민 교수·이예리 씨 연구팀, ‘간섭 기반 SHG 이미징 분석법’ 개발

- 대면적 육방정계 질화붕소(hBN) 박막 내 ‘역평행 도메인’ 광학적 식별 성공

- 재료과학 분야 세계적 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 게재

스마트폰, 인공지능(AI), 양자컴퓨터 등 차세대 전자기술의 핵심 소재로 꼽히는 ‘2차원 반도체’의 상용화를 앞당길 획기적인 분석 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

POSTECH(포항공과대학교) 화학과 류순민 교수, 통합과정 이예리 씨 연구팀은 차세대 반도체 절연 소재로 각광받는 ‘육방정계 질화붕소(hBN)’ 박막 내부의 숨은 구조적 결함을 시료 손상 없이 빛으로 식별할 수 있는 ‘간섭 기반 SHG(2차 고조파 발생) 이미징 분석법’을 개발했다고 18일 밝혔다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 최근 게재되며 그 우수성을 인정받았다.

머리카락 두께의 수만 분의 일에 불과한 2차원 소재인 hBN은 전류 누설을 막는 절연 특성이 매우 뛰어나 ‘2차원 소재의 보호막’으로 불린다. 그러나 반도체 소자에 활용하기 위해 이를 넓은 면적(대면적)으로 합성할 때, 내부에서 결정 방향이 정반대로 정렬되는 ‘역평행 도메인(anti-parallel domain)’ 영역이 발생하는 고질적인 문제가 있었다.

마치 한 배에 탄 선원들이 서로 반대 방향으로 노를 젓는 것처럼, 겉보기에는 멀쩡해 보여도 내부 신호가 충돌하면서 소자의 전기적·광학적 성능을 떨어뜨리는 치명적인 결함이다. 하지만 기존의 전자현미경 분석법(TEM, STM)은 정밀하지만 넓은 면적을 빠르게 분석하기 어려웠고, 대표적인 비파괴 분석법인 라만 분광법은 역평행 도메인을 직접 구별해내는 데 한계가 있었다.

연구팀은 물질에 빛을 비췄을 때 원래 빛의 두 배 주파수를 가진 빛이 방출되는 ‘2차 고조파 발생(SHG) 이미징’ 기술에 외부 기준 신호를 결합하는 독창적인 방식을 도입했다. 연구팀은 두 신호 사이의 위상 차이를 정밀하게 분석함으로써, 육안으로는 구별할 수 없는 결정 영역들 사이에서 SHG 위상이 정확히 180도 반대인 ‘역평행 도메인’이 널리 존재한다는 사실을 세계 최초로 확인했다.

특히 연구팀은 다양한 성장 조건으로 제작된 10종의 hBN 박막을 비교 분석하여, SHG 세기의 변화가 단순한 결정 방향의 차이가 아니라 역평행 도메인 간의 ‘상쇄 간섭’ 때문임을 밝혀냈다. 서로 반대 방향의 신호가 만나 빛이 약해지는 현상을 이용해 결정 구조의 불균일성을 정량적으로 평가할 수 있게 된 것이다.

나아가 연구팀은 SHG 세기와 라만 분광 데이터, 결정 방향 분산 등의 상관관계를 종합하여 hBN의 결정성과 구조적 균일성을 종합 평가할 수 있는 ‘광학적 기준’을 제시했다. 이는 국소적인 결함을 찾아내는 수준을 넘어, 대면적 2차원 소재의 품질을 산업 현장에서 빠르고 체계적으로 검사할 수 있는 길을 열었다는 점에서 의의가 크다.

POSTECH 화학과 류순민 교수는 “그동안 직접 확인하기 어려웠던 hBN 내부의 역평행 도메인을 시료 손상 없이 광학적으로 식별할 수 있음을 보여준 첫 성과”라며, “향후 2차원 물질의 성장 조건을 최적화하는 것은 물론, 차세대 전자·광학·양자소자 개발을 위한 핵심 검사 및 분석 기술로 광범위하게 활용될 것으로 기대한다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업과 시스템화학글로벌 선도연구센터의 지원을 받아 수행됐다.

*참고기사: 포스텍 류순민 교수팀, 빛으로 2차원 반도체 숨은 결함 발견 (동아사이언스, 전자신문, KPI뉴스, 경북매일신문, 경북도민일보, 브레이크뉴스)