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세종대학교(총장 배덕효) 나노신소재공학과 홍영준 교수와 물리학과 홍석륜 교수 연구팀이 기판 손상이 없는 질화갈륨 화합물 반도체 성장 및 박리방법을 개발했다.

화합물 반도체는 여러 원소로 구성된 고성능 반도체로 마이크로LED 디스플레이와 고속 동작 스위칭 소자 등 고성능 첨단 광·전자소자의 핵심 소재이다. 그러나 실리콘에 비해 비싼 화합물 기판에서 화학결합을 통한 성장 방식 때문에, 제조 비용이 높고 반도체층의 분리 과정도 어렵고 복잡하다는 문제점이 있었다.

세종대 연구팀은 화학결합을 필요로 하지 않는 ‘원격 에피성장법’을 이용, 그래핀이 코팅된 질화갈륨 기판 상에서 질화갈륨 반도체층을 성장시킨 후, 일반 테이프로도 쉽게 분리할 수 있는 기술을 도출했다.

이전 방법에서는 고온의 성장 공정 중 기판과 그래핀이 손상돼 반도체층과 기판 사이에 화학결합이 발생해 반도체층의 분리가 어려웠다(그림 오른쪽). 연구팀은 그래핀이 코팅된 질소-극성 질화갈륨 기판이 섭씨 1000도 이상의 고온, 수소, 암모니아 분위기에서도 열화학적 안정성이 탁월하다는 것을 발견하고, 안정성의 원리를 규명했다. 이를 바탕으로 유기금속 화학기상증착법으로 테이프로도 분리 가능한 질화갈륨 원격 에피성장 방법을 개발했다(그림 왼쪽).

홍영준 교수는 “분리 가능한 반도체 에피층을 기판에 증착하고, 에피층과 기판 모두 손상 없이 기판으로부터 분리 가능한 기술이 개발됐다”며 “이 연구결과는 향후 여러 종류의 반도체 에피층을 모으고 수직으로 쌓아서 다기능의 올-인-원 이종집적칩을 만들 수 있는 기술적 토대를 제공한다’고 연구의 의의를 밝혔다.

이번 연구는 미국 텍사스 댈러스대, 매사츄세츠 공과대와의 국제공동연구를 통해 이루어졌으며, 반복적으로 기판 재사용이 가능하며, 쉽게 분리할 수 있는 질화갈륨 반도체층 신개념 성장방법을 개발하였다는 점을 주목받아 미국 화학회의 국제 학술지 “ACS Nano” 11월 14일자 최신호에 게재됐다.

또한 교육부의 기초과학연구역량강화사업과 과학기술정보통신부의 나노및소재기술개발사업, 해외우수연구기관유치사업의 지원을 받아 핵심연구지원센터(센터장: 김선재)의 연구장비를 사용해 수행됐다.

* 자료 제공 : 세종대학교

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