세계 최초로 무 전사 그래핀의 n-type 반도체 특성 구현 기술 개발

공과대학 신소재공학과 윤순길 교수팀이 세계 최초로 무 전사 그래핀의 n-type 반도체 특성 구현 기술을 개발했다.

이번 연구결과는 세계적인 국제학술지인 'Carbon'(IF: 10.9) 4월호에 출판됐다.

※논문 제목: Transfer-free robust n-type graphene field-effect transistors for digital logic electronic devices, Carbon 225 (2024) 119126” 이다.

현재까지 전 세계적으로 대면적 그래핀은 Cu, Ni의 촉매금속 위에 1,000℃에서 성장하는데 이들을 다양한 기판 위에 옮기는 과정을 거치며 많은 결함이 발생하고, 원래의 우수한 전기적 특성들을 잃어버려 상용화가 어렵다. 각국의 연구진들은 N-doping을 통해 대면적 그래핀을 digital logic 소자로 응용하기 위한 노력을 기울이고 있으나 모두 실패함으로써 대면적 그래핀의 진정한 반도체 특성을 구현하지 못하고 있다.

하지만 윤순길 교수팀은 세계 최초로 개발한 100℃ 성장된 무전사 그래핀에 Nitrogen을 성공적으로 도핑함으로써 매우 우수한 반도체 특성을 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 100℃ 성장된 무전사 그래핀을 아르곤 플라즈마로 카본체인을 끊어 카본 원자를 부분적으로 제거한 후에 여기에 N₂ 플라즈마로 Nitrogen(N)을 도핑하는 데 성공했고 n-type 반도체 특성을 확보했다. 

무전사 그래핀을 digital logic 소자에 응용하려면 문턱전압의 on/off 전류 비율이 최소 103 이상 돼야 하는데 연구팀은 on/off 전류 비율을 ~108, 전자 이동도는 매우 높은 ~1,500 cm²/Vs를 확보했다. 

연구팀이 개발한 N-doped Graphene은 매우 재현성이 있으며 큰 유연성과 연성을 가지고 있고, 또한 4인치 웨이퍼 크기에서도 균일한 특성을 나타냈으며, 미국 특허(US Patent, 17/428,501)에도 등록됐다.

이번 연구 결과는 지금까지 얻지 못했던 반도체의 digital logic devices에 응용이 가능해 Si을 대체할 수 있는 획기적 기술로서 반도체 뿐만 아니라 다양한 전도체등 에도 응용이 기대되는 기술로 평가된다. 

윤순길 교수는 "향후 그래핀을 모든 전자부품에 활용할 수 있는 8인치와 12인치의 대 면적 그래핀 성장기술을 확보하기 위해 기업과 협력 연구를 수행하고 있다"며, "대 면적 그래핀 성장기술을 확대해 상용화함으로써 가까운 미래에 그래핀의 영광을 다시 재현하길 기대한다"고 말했다.