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전자전기공학부 박상연 교수 연구팀, 차세대 원자층 반도체 소자용 3D 반데르발스 적층 공정 개발
세계적 권위지 ACS Nano 게재, 웨이퍼스케일 2D 소재 무손상 전사 기술 개발
▲ (왼쪽) 표면장력 조절을 통해 식각 과정을 제거한 무손상 전사 공정 개요도, (오른쪽) 웨이퍼 단위 (4인치) 무손상 전사 공정
본교 전자전기공학부 박상연 교수 연구팀(ANSDL)과 성균관대학교 물리학과 차승남 교수 연구팀이 공동으로 수행한 연구 논문 “Etchant-Free Wafer Scale 2D Transfer and van der Waals 3D Integration via Peel-Off Force Engineering”이 나노과학 분야의 세계적 권위 학술지인 ACS Nano에 게재되었다. ACS Nano 는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 나노 소재 및 소자 분야의 대표적인 저널로, 2024년 기준 영향력 지수(Impact Factor)는 16.0에 달하며, 나노 소재, 전자소자, 에너지, 바이오 응용 등 다양한 분야의 우수한 연구 성과를 소개하고 있다.
기존의 2D 소재 전사 공정은 주로 화학적 에칭(etching)을 통해 성장 기판으로부터 2D 소재를 분리하는 방식을 사용해 왔다. 그러나 이러한 에칭 기반 공정은 산 또는 염기성 용액과 같은 화학약품을 사용함에 따라 2D 소재 자체에 구조적 손상을 유발하거나, 불순물 및 식각 잔류물의 형태로 표면에 오염을 남길 수 있다는 단점이 존재한다. 특히, 원자층 두께의 2D 소재는 외부 자극에 민감하기 때문에 이러한 미세한 손상조차도 전기적 성능 저하나 신뢰성 문제로 이어질 수 있으며, 이는 고집적 소자 구현 및 양산 단계에서 큰 제약 요인으로 작용해 왔다. 이로 인해, 소재의 물리적 특성과 전기적 특성을 온전히 보존하면서도 고수율의 전사 공정을 실현할 수 있는 새로운 방식에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다.
이번 연구에서는 물과 에탄올의 표면장력 조절만으로 기판과 2D 소재를 손상 없이 분리하는 새로운 기계적 전사 공정을 구현했다. 연구팀은 이 과정에서 박리 힘(Peel-Off Force)을 이론적·실험적으로 정밀하게 제어하였고, 이를 통해 단일층 MoS₂, WSe₂ 및 금속 전극 어레이까지 웨이퍼 단위 (4인치)로 무손상 전사하는 데 성공했다. 전사된 2D 소재와 금속 전극은 결함과 오염이 거의 없는 이상적인 반데르발스 계면을 형성하였으며, 이를 기반으로 제작한 고성능 트랜지스터(FET)와 CMOS 논리 회로는 높은 이동도, 우수한 전기적 특성, 낮은 계면 결함 밀도를 나타냈다.
또한 이러한 방식의 공정은 2D 소재뿐만 아니라 금속 전극 및 다양한 이종 소재에도 적용할 수 있어, 전 소재를 반데르발스 기반으로 수직 적층하는 3D 통합(VdW 3D Integration) 기술로 확장될 가능성을 보여주었다. 이를 통해 반도체 제조 기술의 차세대 방향성을 제시함과 동시에, 향후 인공지능 반도체 및 고성능 저전력 소자 개발로의 응용 가능성도 열었다.
▲ 모든 소재 간의 연결을 반데르발스 결합으로 구성할 수 있는 3D 통합 기술 개요도
이번 연구는 홍익대학교 박상연 교수 연구팀을 중심으로 성균관대학교, 동국대학교, 국민대학교, 한국나노종합기술원 연구진이 협력하여 수행되었으며, 한국연구재단 글로벌 기초연구실지원사업(BRL) 및 STEAM연구사업(미래유망융합기술파이오니어)의 지원을 받아 진행되었다.
전자전기공학부 박상연 교수 연구실은 고성능 2D 반도체 소자 개발, 대면적 2D 소재 합성과 3D Integration, 차세대 뉴로모픽 디바이스 구현 등을 목표로 연구를 지속하고 있다
▲ (왼쪽) 표진혁 석박사통합과정생 (제1저자), (오른쪽) 박상연 홍익대 전자전기공학부 교수 (교신저자)
※ 논문명: Etchant-Free Wafer Scale 2D Transfer and van der Waals 3D Integration via Peel-Off Force Engineering
※ 저널: ACS Nano
