III-V족 화합물 반도체를 실리콘(Si) 기판위에 적층하는 저비용 공정으로

소자 발열 해결 및 최고 수준의 전하이동도 특성 확인

초저전력 고성능 III-V족 화합물 반도체* 소자 상용화 기대

*III-V족 화합물 반도체 : 주기율표 III족 원소와 V족 원소가 화합물을 이루고 있는 반도체 물질.


  가전제품이나 휴대폰 등 기기의 소형화가 진행됨에 따라, 반도체의 크기도 지속적으로 감소해 왔다. 현재 주로 사용되고 있는 실리콘 반도체의 경우, 작은 면적에 더 많은 소자를 넣기 위해 물리적 한계로 여겨지는 10nm 크기 수준으로 작아졌고, 구조도 2차원 평면형에서 3차원 입체형으로 전환되고 있다. 하지만 소자 집적도가 높아짐에 따라 소자간 간섭현상과 발열 문제가 해결해야 할 과제로 남아있다.  

  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 김상현, 김형준 박사팀은 국민대학교 김동명 교수연구팀과의 공동연구로 기존의 실리콘 위에 III-V족 화합물 반도체를 3차원으로 적층하는 기술을 개발하여 기존 반도체보다 훨씬 빠르고, 전력 소비가 현저히 적어 발열문제를 해결한 고성능 반도체 소자를 개발했다. KIST 김상현 박사팀은 기존 소자의 발열문제를 해결하기 위해서 전력소비를 낮추는 것에 집중했다. 전자의 이동속도가 빠를수록 전력소비가 낮아지고 전력소비가 낮아질수록 발열량이 낮아지는데, 차세대 반도체로 각광받고 있는 III-V족 화합물 반도체는 기존의 실리콘 반도체보다 높은 전자 이동도를 보이며, 소비전력도 적어 고성능 핵심소재로 인식되고 있다. 하지만 제조공정이 비싼 단점이 있어 군사, 통신 등 특수분야에 한정적으로 이용되고 있는 실정이었다. 미국, 일본 등 선진연구수준과는 달리 우리나라의 경우 실리콘 반도체에 집중하여 상대적으로 III-V족 화합물 반도체에 대한 연구가 취약한 실정이었다.
연구진이 개발한 기술은 실리콘 기판 위 전자가 이동하는 반도체 채널 부분에 III-V족 화합물 반도체인 인듐갈륨비소(InGaAs)를 얇고 균일하게 형성하여 효과적이고 저비용의 III-V족 화합물 반도체 소자를 제작할 수 있는 공정으로, 산업계에서 응용가능성이 매우 높을 것으로 기대되고 있다.

[그림1] 실리콘 상 III-V족 화합물 반도체 층 제조 공정 모식도


우선 비용적인 측면에서는 웨이퍼 본딩(Wafer Bonding)*이라는 공정을 통해서 필요한 부분에만 인듐갈륨비소(InGaAs)를 실리콘 위에 접착하여 사용하고 비교적 간단한 공정인 ELO(Epitaxial Lift Off)*공정을 통해 떼어낸 III-V족 화합물 모재 기판(InP)을 재사용함으로서 획기적으로 원가를 절감할 수 있게 되었다. 시간적 측면에서도 기존의 ELO(Epitaxial Lift Off)공정 시 발생하는 수소 거품과 소수성 표면 문제를 웨이퍼 접착(Bonding)시 소자의 패터닝과 모재 기판(InP)의 친수성 표면을 이용하여 해결함으로써 공정시간을 기존대비 수십 배 이상 단축시키는데 성공하였다.
*웨이퍼 본딩(Wafer Bonding) : 접착제등을 사용하지 않고 서로 다른 기판을 접합하는 기술
*ELO(Epitaxial Lift Off) : 가운데 희생층을 두고, 목적하는 재료를 성장 후에 재료를 박리하는 방법

[그림2] 실리콘 상 III-V족 화합물 반도체 (InGaAs)의 단면 전자현미경사진 및 이로 제작된 소자의 이동도 결과

 

이 기술은 재료 및 공정 원가가 상용화의 걸림돌이었던 III-V족 화합물 반도체의 제조 공정을 쉬운 공정방법으로 변경함으로써 원가 절감 및 공정 고속화를 가능하게 하였을 뿐만 아니라 세계 최고 수준의 전자 이동도 특성까지 보여주어 초저전력으로 발열문제를 해결한 고성능 화합물 반도체 소자 상용화를 앞당겼다고 볼 수 있다. 김상현 박사는 “본 연구를 통하여 단순히 실리콘상에서 III-V족 화합물 반도체를 형성하는 데에 그치는 것이 아니라 3차원으로 여러 층을 적층하여 집적도가 향상된 다기능 소자를 실현하는 것이 기대된다.”고 밝혔다.


본 연구는 한국과학기술연구원 플래그쉽 연구사업, 산업통상자원부 미래반도체소자 원천기술개발사업, 미래창조과학부 중견연구자 지원사업으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학회인 ‘IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)*’에서 12월 7일에 발표되었다.
* IEDM 학회는 세계 3대 반도체 학회로 전자소자 분야 최고 권위 학회로 인정받고 있다. 특히 반도체 분야의 올림픽이라는 별칭을 가지고 있으며 각국의 산업계, 연구소, 대학 등에서 관련된 최신 기술을 발표하고 있다.

 

 * (논문명) Cost-effective Fabrication of In0.53Ga0.47As-on-Insulator on Si for Monolithic 3D via Novel Epitaxial Lift-Off (ELO) and Donor Wafer Re-use (IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), (Paper Acceptance 118-2742 (2016. 12. 7 10:45 (샌프란시스코 시간) 발표)
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 김성광 학생연구원       
          - (교신저자) 한국과학기술연구원 김상현 박사, 국민대학교 김동명 교수

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[백상 논단]'4차 산업혁명' 넋 놓고 바라만 볼 것인가

 

최근 4차 산업혁명이 각계각층의 화두가 되고 있습니다.

이에 관한 KIST 이병권 원장님의 기고문입니다.

원천기술 조기 확보와 혁신형 산업 생태계 조성,  창업활성화 등

이병권 원장님의 의견 아래에서 확인해 보세요

 

[서울경제 기사보기]

 

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 - 고가의 귀금속 촉매 대체할 저렴한 니켈계 촉매 사용으로 수소에너지 경제성 향상
 - 친환경 물 분해과정을 통한 수소에너지 상용화 및 보급화에 기여

 

  친환경에너지인 수소를 만들기 위해 전 세계적으로 다양한 연구가 진행 중이다. 국내 연구진이 물의 전기분해방법으로 수소를 만드는 데 필요한 촉매의 원료를 저렴하고 내구성이 높은 니켈계 화합물로 제작하는 기술을 개발했다. 기존에 사용했던 고가의 귀금속 촉매 비용보다 약 100배 저렴하고 성능은 거의 동일하여 수소 에너지 상용화에 한발짝 더 가까워질 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 국가기반기술연구본부 연료전지연구센터 유성종 박사와 KIST 한-인도협력센터 이승철 박사는 물 분해를 통한 수소 발생 반응과정에서 고결정성 인화니켈 나노선 화합물을 전극 촉매로 사용, 귀금속 촉매보다 가격을 획기적으로 낮추면서 내구성이 높고 성능이 뛰어난 새로운 촉매를 개발하는데 성공했다고 밝혔다.  수소에너지는 채굴량 한계 및 지역 편재성이 없고, 환경 친화적이기 때문에 차세대 에너지로 각광받는 에너지원이다. 하지만 상용화를 위해서 몇 가지 걸림돌이 있다. 첫째로 현재 많이 사용되고 있는 수소에너지 발전 방식은 물의 전기분해를 통해 수소를 발생시키는 ‘수소 스테이션’ 방법이다. 이 방법은 고순도의 수소를 환경파괴 없이 생산할 수 있지만 웬만한 건물 크기에 맞먹는 대용량 수조가 필요해 도심의 에너지 공급원으로 사용하기 위한 전극의 소형화가 필요하다. 둘째, 전지의 +극인 산소 발생용 전극 재료로는 이리듐 및 루테늄 계열의 귀금속 촉매가, -극인 수소 발생 전극 재료로는 백금이 각각 사용되고 있는데 비용이 높기 때문에 이를 대체하는 값 싼 재료의 개발이 요구된다. 셋째, 현재까지는 백금 촉매가 물을 수소로 전환시키는데 가장 효과적이라고 알려져 있었지만 비싼 가격과 낮은 안정성 문제 때문에 한계에 봉착해 있었다. 니켈계 금속 또는 화합물 촉매의 경우는 백금 촉매에 비해 과전압이 많이 필요로 하여, 가격적인 면의 이점(백금 가격의 1/100)에도 불구하고 주목을 받지 못하고 있었다.

  연구팀은 기존 희소 금속인 백금 기반의 촉매보다 뛰어난 고효율, 저가형 촉매 제조를 위해 니켈계 화합물의 일종인 인화니켈의 고효율 반응 가능성에 주목하였다. 이에 연구팀은 양자역학 계산기법을 활용, 인화니켈을 나노선(nanowire)으로 성장시키는 기술을 개발하였다. 연구팀이 개발한 단결정 인화니켈 나노선은 표면에서 니켈 금속과 인의 강한 상호 작용을 통해 니켈금속의 전자 구조를 변형시켜 수소 발생 반응을 극대화시켰음을 보여주었으며 이는 유무기 복합체 사이의 전하 전달이 매우 중요한 역할을 한다는 것을 싱크로트론 X-ray로 세계 최초로 밝혔다. 이는 또한, 물로부터 수소를 발생시키는 경우 니켈계 금속 촉매에서 필요한 과전압보다 60% 더 낮은 과전압에서 고효율로 생산할 수 있음을 보여줌과 동시에 뛰어난 내구성으로 높은 전류와 전압조건에서 운행된 12시간 동안의 물 분해 실험에서 성능이 거의 감소되지 않았다. 이 실험은 새로운 촉매가 기존의 니켈 산화물 촉매와 귀금속계 촉매보다 내구성이 우수함을 입증한 것이다. 특히 인화니켈 나노선 촉매는 단위 면적당 높은 반응성을 보여 현재까지 보고된 니켈계 촉매들의 성능 중 최고 수준이다.

  KIST 유성종 박사는 “미래 청정에너지에 대한 관심이 높아지는 가운데 재생에너지로서 물을 수소와 같은 화학에너지로 변환하는 기술의 상용화는 중요한 이슈가 되고 있다.”라며, “그런 의미에서 이번 연구는 수소에너지 상용화를 한 발 앞당겼다는데 큰 의의가 있다”고 말했다.


  본 연구는 KIST 기관고유 연구사업과 미래창조과학부(장관 최양희)의 글로벌프론티어사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 그리고 한인도협력센터 GKP (Global Knowledge Platform) 사업을 통해 수행되었으며 연구결과는 에너지 및 나노 분야의 국제 저명 학술지인 Nano Energy (IF: 11.553) 8월호에 게재되었다. 더욱이, 해당 연구결과는 국내특허 출원 및 해외 특허 출원도 진행 중에 있다.

 

     * (논문명) Rationalization of electrocatalysis of nickel phosphide nanowires for efficient

                    hydrogen production
      - (제1저자) 한국과학기술연구원 정영훈 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 유성종 박사, 이승철 박사

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