한양대, 세계 선도할 차세대 초박막 반도체 기술 개발

- 박희준 교수 연구팀, 친환경 주석 페로브스카이트로 고성능과 장수명 확보

주석 기반 페로브스카이트 박막 트랜지스터 구조, 성능 및 안정성. (자료제공: 한양대)

차세대 반도체 시장을 선도할 수 있는 기술이 개발됐다. 

한양대학교(총장 이기정)는 유기나노공학과 박희준 교수 연구팀이 화학공학과 김경학 교수 연구팀과 함께 차세대 반도체 소재로 주목받는 페로브스카이트의 성능과 안정성을 동시에 극대화할 수 있는 새로운 방법을 규명, 고성능·장수명의 박막 트랜지스터(Thin-film transistor, TFT) 구현에 성공했다고 10월 20일 밝혔다. 

반도체 소자를 만드는 데 사용되는 기본적인 반도체 물질의 형태로는 P형 반도체와 N형 반도체가 있다. P형은 순수한 반도체에 양공 혹은 정공(전자가 부족한 상태)이 많아지도록 불순물을 첨가한 반도체이다. N형은 순수한 반도체에 전자가 많아지도록 불순물을 첨가한 반도체이다. P형 반도체와 N형 반도체를 특정한 방식으로 결합하고 가공해 반도체 소자를 만드는 것이다. 

저전력 전자기기 및 집적회로의 구현을 위해서는 N형과 P형 소자가 모두 필요하지만, 고성능 N형 소자에 비해 P형 소자의 고성능 구현은 반도체 업계의 오랜 난제로 꼽혀왔다. 차세대 반도체 소재로 각광 받아온 페로브스카이트의 경우 P형 소자 구현에 활용 가능하지만, 대부분 납(Pb)을 함유하고 있어 실제 전자기기 적용에 본질적 제약이 있었다.

연구팀은 대안으로 주목받는 친환경 주석(Sn) 기반 페로브스카이트가 작은 유효 질량과 낮은 산란 특성이라는 전하 수송상의 장점을 지녔다는 점에 착안하여 우수한 성능 구현이 가능할 것이라 판단했다. 이 소재의 고질적 한계였던 산화와 박막의 품질 저하 문제를 해결할 수 있다면, 오히려 기존에 상용화된 그 어떤 것보다도 가능성이 풍부한 소재였다. 

그 결과, 연구팀은 메틸암모늄클로라이드(MACl)를 이용해 페로브스카이트의 일부 양이온과 음이온을 치환함으로써 결함 밀도를 최소화하고 구조적 불안정을 극복할 수 있음을 규명하고, 이 전략으로 산화와 박막 품질 저하 문제를 동시에 해결했다. 이를 바탕으로 연구팀은 최고 수준의 성능을 지닌 P형 박막 트랜지스터 구현에 성공했다. 

또한 가속 수명시험 결과, 상온에서 약 10년간 초기 성능의 70% 이상을 유지할 것으로 예측되었으며, 이는 OLED 상용화에 활용되는 캡슐화 기술과 결합할 경우 산업 현장에 즉시 적용이 가능한 수준임을 보여준다.

이번 연구에는 박희준 유기나노공학과 교수가 연구책임자로 총괄을 맡았으며, 김경학 화학과 교수가 소재 설계 부문을 담당했다. 박한솔, 이종민(이상 유기나노공학과 박사과정, 현 삼성전자 연구원), 이청범(화학공학과 박사과정, 현 박사후과정)이 공동 제1저자로 연구를 수행했고, 삼성전자 SAIT가 공동 연구기관으로 참여했다.

연구책임자인 박 교수는 “이번 성과는 주석 기반 페로브스카이트로 최고 수준의 전기적 성능과 장기 안정성을 동시에 달성한 첫 사례로, 친환경성과 고성능을 모두 갖춘 차세대 반도체 소재 상용화 가능성을 보여줬다”며 “차세대 디스플레이, 광센서, 저전력 논리소자 등 다양한 분야로 확장이 기대된다”고 강조했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원사업과 삼성전자의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 전기·전자공학 분야 최상위 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 10월 17일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]