[뉴스웍스=문병도 기자] 반도체는 회로의 선폭을 가늘게 만들수록 성능 향상에 유리하다. 5나노 반도체가 최근 상용화에 들어섰다.

이종훈 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단  그룹리더와 펑딩 그룹리더 연구팀은 2차원 흑린을 이용해 선폭 4.3Å(0.43나노미터)의 전도성 채널을 구현했다. 

흑린은 '검은 인'이라는 뜻이다.

흑린은 빛을 내는 신비한 물질로 처음 발견된 원자번호 15번 인(P) 원자로 만들어진 검은 빛깔의 신소재이다.

인(P) 원자가 주름진 벌집 모양으로 배열된 흑린은 그래핀처럼 두께는 0.2~1㎚로 얇다. 흑린은 매우 안정된 물질이다.

흑린은 높은 전기전도도를 가져 신의 물질이라 불리는 그래핀과 유사하다.

흑린은 그래핀과 마찬가지로 2차원 박리가 가능하며 전기적‧광학적 성질이 매우 우수하다. 전류 제어가 어려운 그래핀과 달리 전기전동성을 결정하는 에너지 준위 차인 밴드갭을 조절해 전류 제어가 가능해 전자소자 제작이 용이하다는 장점도 있다.

2차원 흑린은 '포스트 그래핀' 시대의 주역이 될 반도체 소재로 꼽힌다. 

연구진은 전극으로 활용될 수 있는 전도성 채널을 만들고자 다층의 2차원 흑린 각 층 사이에 구리 원자를 삽입했다. 

흑린에 얇은 구리 박막을 증착한 후 열처리를 하는 간단한 공정을 진행한다. 흑린의 이방성 원자구조로 인하여 구리 원자가 2차원 흑린에 0.43나노미터의 미세한 폭을 유지하며 삽입된다. 

연구진은 이를 원자분해능 투과전자현미경(TEM)을 통해 규명했다. 이렇게 형성된 0.43나노미터 두께의 전도성 채널은 반도체 소자의 전극으로 사용될 수 있다. 연구진은 전도체·반도체·전도체로 이뤄진 반도체의 기본 소자 구조를 2나노미터 이하 수준에서 형성할 수 있음도 보였다.

이석우 연구원은 "2차원 반도체 물질인 흑린을 이용한 초미세 반도체 소자 실현 가능성을 보여준 연구"며 "반도체 공정에 사용될 수 있는 고상확산법을 이용하였기 때문에 실제 응용 효과가 클 것이다"이라고 설명했다.

울산과학기술원(UNIST), 포항공대(POSECH)와 공동으로 진행된 이번 연구결과는 지난 29일 나노분야 세계적 학술지인 나노레터스 표지논문으로 게재됐다.