첨가제 없이 ‘열’로만⋯포스텍, 차세대 반도체 한계 넘었다

연구 이미지. /포스텍 제공

반도체의 성능을 높이기 위해 각종 화학 첨가제를 넣는 것은 그동안 학계와 산업계의 ‘상식’으로 통했다. 하지만 국내 연구진이 첨가제 없이 오직 ‘열’만을 이용해 차세대 반도체의 성능을 획기적으로 끌어올리는 데 성공했다.

포항공과대학교(이하 포스텍) 화학공학과 노용영 교수 연구팀은 열 증착 공정만으로 고성능 주석(Sn) 기반 페로브스카이트 P형 트랜지스터를 구현했다고 10일 밝혔다.

차세대 반도체 소재로 주목받는 주석 기반 페로브스카이트는 전자의 이동 속도가 빠르고 친환경적이라는 장점이 있다. 하지만 양(+)전하를 띤 ‘정공’이 과도하게 생겨나 전류 제어가 어렵다는 것이 고질적인 문제였다. 

그동안 이를 해결하기 위해 다양한 화학 첨가제가 투입됐지만, 이 경우 대면적 제작이 어렵고 기존 반도체 공정과의 호환성이 떨어진다는 단점이 있었다.

노 교수팀은 디스플레이 양산 공정에서 널리 쓰이는 ‘열 증착 공정’에 주목했다. 진공 상태에서 재료를 가열해 기판에 얇게 입히는 이 방식을 최적화한 결과, 첨가제 없이도 결정 구조가 완벽하게 정렬된 박막을 만드는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 트랜지스터의 성능은 압도적이다. 반도체의 성능 지표인 ‘정공 이동도’는 약 14 cm^2/V \cdot s를 기록해기존 용액 공정 기반의 최고치(0.61 cm^2/V \cdot s)보다 20배 이상 높은 수치를 보였다. 전기를 켜고 끌 때의 선명도를 의미하는 ‘전류 점멸비’ 또한 최고 수준을 달성했다.

이번 연구는 산업 현장에서 이미 사용 중인 공정을 그대로 활용할 수 있다는 점에서 상용화 가능성이 매우 크다는 평가를 받는다. 특히 낮은 온도에서도 공정이 가능해 접거나 휘어지는 웨어러블 기기나 고해상도 디스플레이 구동 회로에 즉시 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

노용영 교수는 “첨가제 없이 산업용 열 증착 공정만으로 3차원 페로브스카이트 트랜지스터를 구현한 세계 첫 사례”라며 “차세대 전자 시스템의 핵심 기술로 널리 쓰이게 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료·전자소자 분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘매티리얼스 사이언스 앤 엔지니어링 R(Materials Science & Engineering R)’에 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]