【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=겉보기에는 이상이 없지만 내부 구조 결함으로 성능이 저하되는 차세대 반도체 소재의 문제를 빛으로 정밀하게 찾아내는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
 ▲ 2차 고조파 이미징을 통해 대면적 hBN 박막 내 숨은 역평행 도메인과 위상 반전 특성을 식별하는 모식도 © 포스텍 |
POSTECH(포항공과대학교) 화학과 류순민 교수와 통합과정 이예리 씨 연구팀은 차세대 반도체 핵심 소재로 주목받는 육방정계 질화붕소(hBN) 박막 내부의 숨은 구조 결함을 식별할 수 있는 간섭 기반 2차 고조파 발생(SHG) 이미징 분석법을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재됐다.
최근 스마트폰과 인공지능(AI), 양자컴퓨터 등 첨단 전자기술 발전과 함께 ‘2차원 반도체’가 차세대 핵심 소재로 주목받고 있다. 이 가운데 hBN은 뛰어난 절연 특성을 지녀 전류 누설을 차단하는 보호막 역할을 하며 ‘2차원 소재의 보호막’으로 불린다.
하지만 대면적 hBN 박막을 제작하는 과정에서는 내부 결정 방향이 정반대로 배열된 ‘역평행 도메인’이 형성되는 문제가 발생한다. 외형상으로는 정상적인 구조처럼 보이지만 내부 신호가 충돌하면서 전기적·광학적 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다.
기존 전자현미경(TEM)이나 주사터널링현미경(STM)은 높은 정밀도를 제공하지만 넓은 면적을 빠르게 분석하는 데 한계가 있었고, 라만 분광 분석 역시 비파괴 검사 장점에도 불구하고 역평행 도메인을 직접 구분하는 데 제약이 있었다.
연구팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해 SHG 이미징 기술에 주목했다. SHG는 특정 물질에 빛을 비췄을 때 원래보다 두 배 높은 주파수의 빛이 발생하는 현상이다.
여기에 외부 기준 신호를 더해 위상 차이를 정밀 측정한 결과, 육안상 동일한 방향처럼 보이던 영역 사이에서도 SHG 위상이 정확히 180도 반대인 역평행 도메인이 광범위하게 존재한다는 사실을 확인했다.
또한 서로 반대 방향의 신호가 만나 빛의 세기가 약해지는 ‘상쇄 간섭’ 현상을 통해 결정 구조의 불균일성을 정량적으로 분석할 수 있다는 점도 입증했다.
연구팀은 성장 조건이 다른 hBN 박막 10종을 비교 분석해 SHG 세기와 라만 분광 데이터, 결정 방향 분산 사이의 상관관계를 종합적으로 검토했고, 이를 토대로 결정성과 구조 균일성을 평가할 수 있는 새로운 광학 기준도 제시했다.
이번 성과는 특정 결함 검출을 넘어 대면적 2차원 소재의 품질을 빠르고 체계적으로 진단할 수 있는 기반 기술을 마련했다는 평가를 받고 있다.
류순민 POSTECH 교수는 “그동안 직접 확인이 쉽지 않았던 hBN 내부 역평행 도메인을 광학적으로 식별할 수 있다는 점을 입증한 연구”라며 “2차원 물질 성장 조건 최적화는 물론 차세대 전자·광학·양자소자 개발을 위한 핵심 분석기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업과 시스템화학글로벌선도연구센터의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Develops Next-Generation Material Analysis Technology to Detect Hidden Defects in 2D Semiconductors Using Light
A technology capable of precisely detecting problems in next-generation semiconductor materials—where performance degrades due to internal structural defects despite appearing normal on the surface—using light has been developed by Korean researchers.
A research team led by Professor Ryu Sun-min of the Department of Chemistry at POSTECH (Pohang University of Science and Technology) and integrated graduate student Lee Ye-ri announced the development of an interference-based second harmonic generation (SHG) imaging analysis method capable of identifying hidden structural defects within hexagonal boron nitride (hBN) thin films, which are attracting attention as a key material for next-generation semiconductors. This research achievement was published in the international materials science journal *Advanced Materials*.
With the recent advancement of cutting-edge electronic technologies such as smartphones, artificial intelligence (AI), and quantum computers, "2D semiconductors" are garnering attention as a key next-generation material. Among these, hBN is referred to as the "protective shield of 2D materials" because it possesses excellent insulating properties that act as a protective barrier to block current leakage. However, during the fabrication of large-area hBN thin films, a problem arises in which "antiparallel domains" are formed, in which the internal crystal orientations are aligned in the exact opposite direction. Although they appear to have a normal structure externally, internal signal collisions cause a degradation in electrical and optical performance.
While conventional electron microscopes (TEM) and scanning tunneling microscopes (STM) offer high precision, they have limitations in rapidly analyzing large areas. Similarly, Raman spectroscopy, despite its non-destructive inspection advantages, also faced limitations in directly distinguishing antiparallel domains.
To overcome these limitations, the research team focused on SHG imaging technology. SHG is a phenomenon in which light is emitted at twice the original frequency when illuminated on a specific material.
By adding an external reference signal to precisely measure phase differences, the team confirmed that antiparallel domains—where the SHG phase is exactly 180 degrees opposite—extensively exist even within regions that appeared to be oriented in the same direction to the naked eye.
Furthermore, the study demonstrated that the inhomogeneity of crystal structures can be quantitatively analyzed through the phenomenon of "destructive interference," where signals in opposite directions meet and weaken light intensity.
The research team compared and analyzed 10 types of hBN thin films with different growth conditions to comprehensively examine the correlation between SHG intensity, Raman spectroscopic data, and crystal orientation dispersion. Based on this, they proposed a new optical criterion capable of evaluating crystallinity and structural uniformity.
This achievement is being recognized for establishing a foundational technology that goes beyond detecting specific defects to rapidly and systematically diagnosing the quality of large-area 2D materials.
Professor Ryu Soon-min of POSTECH stated, "This research proves that antiparallel domains within hBN, which were previously difficult to verify directly, can be optically identified." He added, "We expect this to be utilized as a core analytical technology for optimizing 2D material growth conditions as well as for the development of next-generation electronic, optical, and quantum devices."
Meanwhile, this research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea's Mid-Career Research Program and the Global Leading Research Center for Systems Chemistry.
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