“겉은 멀쩡한데 속은 반대”⋯포스텍, 차세대 반도체 소재 ‘숨은 결함’ 빛으로 찾았다

연구 이미지. /포스텍 제공

차세대 반도체 소자의 핵심 소재로 꼽히는 2차원 박막 내부의 숨은 구조적 결함을 ‘빛’을 이용해 빠르게 찾아내는 분석 기술이 개발됐다. 

포항공과대학교(이하 포스텍) 화학과 류순민 교수·통합과정 이예리 씨 연구팀은 차세대 반도체 소재인 ‘육방정계 질화붕소(hBN)’ 박막 내부의 구조 결함을 식별할 수 있는 ‘간섭 기반 2차 고조파 발생(SHG) 이미징’ 분석법을 개발했다고 18일 밝혔다. 

‘2차원 소재의 보호막’으로 불리는 hBN은 전류 누설을 막는 절연 특성이 뛰어나 스마트폰, AI, 양자컴퓨터 등 고성능 전자기술의 핵심 소재로 주목받고 있다. 

그러나 이를 상용화하기 위해 대면적으로 합성하는 과정에서 결정 방향이 서로 정반대인 ‘역평행 도메인’이 발생하는 고질적인 문제가 있었다. 

기존의 투과전자현미경(TEM)이나 주사터널링현미경(STM)은 아주 정밀한 관찰은 가능했으나 분석 면적이 좁고 시간이 오래 걸렸으며 대표적 비파괴 분석법인 라만 분광법은 역평행 도메인을 직접 구별해 내지 못하는 한계가 있었다.

연구팀은 특정 물질에 빛을 비췄을 때 주파수가 2배인 빛이 생성되는 ‘SHG 이미징’ 기술에 외부 기준 신호를 결합하는 방식을 고안했다. 

두 신호 사이의 위상 차이를 정밀 분석한 결과, 육안으로는 동일해 보이는 영역 내부에서 SHG 위상이 정확히 180도 반전된 역평행 도메인이 광범위하게 존재한다는 사실을 세계 최초로 확인했다.

특히 다양한 조건에서 성장시킨 hBN 박막 10종을 비교 분석해 서로 반대 방향의 신호가 만나 빛이 약해지는 ‘상쇄 간섭’ 현상을 통해 결정 구조의 불균일성을 정량적으로 파악할 수 있는 광학 기준도 함께 제시했다.

류순민 교수는 “그동안 직접 확인하기 어려웠던 hBN 내부의 역평행 도메인을 시료 손상 없이 광학적으로 선명하게 식별할 수 있음을 보여준 성과”라며 “이차원 물질의 합성 조건 최적화는 물론, 차세대 전자 및 양자 소자의 품질을 체계적으로 검사할 수 있는 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]