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그래핀 나노리본을 반도체 웨이퍼 ....

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그래핀은 탄소원자가 육각형의 단원자 구조체를 이루고 있는 새로운 소재이다. 이러한 그래핀은 에너지 효율적이고 빠른 차세대 전자 소재로 많은 주목을 받고 있다. 그러나 과학자들은 이러한 물질을 나노리본이라고 불리는 매우 얇은 구조체로 만드는 데에 어려움을 겪고 있다. 이러한 나노리본은 그래핀을 반도체 전자기기에 활용하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 

위스콘신-메디슨대학 연구진은 그래핀 나노리본을 종래의 게르마늄 반도체 웨이퍼 위에 직접적으로 성장시켜 원하는 특성을 구현할 수 있게 되었다. 이번 연구결과를 통해서 하이브리드 직접회로 내에서 그래핀 나노리본을 사용하는 것이 가능하게 되어서 그래핀이 차세대 전자소재로 자리를 잡는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 이번 기술은 또한 산업 및 군사 목적으로 이러한 그래핀의 사용을 높이는데 도움이 될 것으로 기대된다. 특별히 특정한 화학 물질이나 생화학 물질을 감지하는 센서로 사용될 수 있으며 또한 광을 조절하는 광전자 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 

이번 연구팀은 위스콘신-메디슨 대학 재료과학부 Michael Arnold 교수가 이끌었으며, 연구결과는 저널 Nature Communications에 소개되었다. 이번 기술은 특별히 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이는 기존의 반도체 공정에 그대로 적용 가능하기 때문이다. 그래핀 나노리본은 게르마늄 반도체 웨이퍼 위에 직접적으로 성장될 수 있으며, 이러한 사실은 이번 기술이 바로 반도체 산업에 그대로 적용될 수 있다는 것을 보여주는 것이라고 Arnold 교수는 설명했다. 이러한 기술은 향후 그래핀이 전자소자에 중심적인 위치를 차지하는 데 지금까지 걸림돌이 되었던 문제를 해결하는 중요한 계기가 될 것이라고 연구진은 설명했다. 

그래핀은 탄소원자가 단일 원자의 두께로 박막을 이루고 있으며 전기전도성이 매우 높으며 또한 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이는 실리콘의 특성보다 우수한 것이다. 현재 그래핀을 활용하여 온-오프 동작을 가진 소자로 만들기 위해서는 그래핀 나노리본을 10나노미터 이하의 폭을 가지게 하는 것이 필요하다. 이는 매우 어려운 기술이다. 또한 나노리본의 가장자리는 암체어 구조를 이루고 있어야 한다. 이는 탄소 원자 결합이 리본의 길이 방향에 평행하게 이루어져야 함을 나타낸다. 지금까지 나노리본을 만드는 데에는 주로 일반적인 리소그래피 기술이 적용되었다. 그러나 이러한 하향식 접근방법은 정밀도가 떨어지며 또한 나노리본의 가장자리를 거칠게 만든다. 

나노리본을 만드는 다른 방법은 상향식 접근법이다. 표면 보조 유기합성(surface-assisted organic synthesis) 방법은 분자 전구체를 이용하여 나노리본을 길게 연결하는 방식으로 이루어진다. 이러한 표면 보조 유기합성법을 이용하면 매우 정밀하면서도 끝 자락이 부드러운 나노리본을 만들 수 있다. 그러나 이러한 방법은 단지 금속 기판 위에서만 가능하다. 또한 이렇게 만들어진 나노리본은 전자 소자에 사용하기에는 너무 짧다는 단점을 가지고 있다. 

이러한 문제를 해결하기 위해서 연구진은 상향식 방법을 사용하여 매우 폭이 좁고 또한 끝 자락이 부드러운 나노리본을 화학기상증착법이라는 공정을 사용하여 게르마늄 반도체 웨이퍼 위에 성장시켰다. 이러한 공정 기술에는 처음에는 메탄이 사용되었다. 메탄은 게르마늄 반도체 웨이퍼 위에 흡착되어 여러 탄화수소를 만드는 데에 사용된다. 

연구진은 그래핀 결정의 성장 속도를 화학기상증착법에 사용되는 메탄의 양을 줄여서 그 속도를 매우 느리게 할 수 있었다. 그래핀 나노리본이 성장하는 속도가 매우 느릴 때에는 매우 긴 나노리본이 성장한다는 사실을 확인했다. 단순히 성장률과 성장 시간을 조절하여 연구진은 그래핀은 10나노미터 이하의 폭을 가진 그래핀 나노리본을 쉽게 만들 수 있게 되었다. 이번 연구결과는 저널 Nature Communications에 "Direct oriented growth of armchair graphene nanoribbons on germanium"이라는 제목으로 게재되었다. (DOI: 10.1038/ncomms9006) 

그림. 게르마늄 웨이퍼 위에 성장된 나노리본, 이러한 나노리본은 암체어 모서리를 가지고 있다. 

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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