반도체 20년 난제 해결…고성능·고안정 p형 박막 트랜지스터 구현

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포스텍은 노용영 화학공학과 교수와 아오 리우, 휘휘 주 박사후 연구원 연구팀이 김용성 한국표준과학연구원 책임연구원, 김민규 포항가속기연구소 에너지환경연구팀 빔라인 매니저와의 공동연구를 통해 고성능·고안정성 박막 트랜지스터를 구현한 연구결과를 10일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다고 23일 밝혔다.

n형과 p형 반도체가 상보적으로 접합된 n-p형 반도체는 전자기기와 집적회로의 핵심이다. p형 반도체는 전자가 빠져나간 구멍인 정공을 통해 전류가 흐르는 반도체, n형 반도체는 전자가 이동하면서 전류를 만드는 반도체다.

반도체는 '결정질'과 '비정질' 반도체로도 나눌 수 있다. 결정질 반도체는 원자나 분자가 규칙적으로 배열된 반면 비정질 반도체는 상대적으로 불규칙하게 배열됐다. 비정질 반도체는 결정질 반도체와 비교해 전기적 성능이 떨어지지만 제작 공정이 단순하고 비용이 저렴하다.

n형 비정질 반도체는 인듐갈륨아연산화물(IGZO)을 바탕으로 개발돼 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이나 메모리 분야에 널리 사용된다. p형 비정질 반도체는 아직 내재 결함이 많고 연구가 상당히 더딘 것으로 알려졌다. 학계에서도 20년 동안 성과가 나오지 않아 고성능 p형 비정질 반도체 소자 개발은 거의 불가능한 도전으로 여겨졌다.

연구팀은 희토류 금속인 텔루륨(Te) 산화물에서 산소가 부분적으로 빠지고 빈 공간에 셀레늄(Se)이 채워지면 정공을 전도하는 성질이 생기는 현상을 알아냈다. p형 반도체로 작동할 수 있다는 뜻이다. 연구팀은 부분적으로 산화된 텔루륨 박막으로 고성능 p형 산화물 박막 트랜지스터(TFT)를 개발했다.

연구팀이 개발한 TFT는 현재까지 보고된 p형 비정질 산화물 TFT 중 정공의 이동도와 전류점멸비가 가장 우수했다. 정공(p형 반도체)이나 전자(n형 반도체)의 이동도가 높을수록 회로의 속도가 빠르다. 트랜지스터를 켜거나 껐을 때 전류가 흐르는 비율인 전류점멸비가 클수록 우수한데 개발된 TFT는 현재 상용화된 일반적인 실리콘 트랜지스터보다 최대 10배까지 성능이 우수했다. 이는 기존 n형 비정질 산화물 반도체인 IGZO와 비교해도 비슷한 수준의 성능이다.

또 전압이나 전류, 공기, 습도 등 외부 조건을 바꿔도 안정적으로 작동했다. TFT는 집적 회로 제작에 사용되는 웨이퍼 형태로 만들어졌을 때도 모든 부분에서 균일한 성능을 보여 실제 산업 현장에서 쓰일 수 있는 반도체 소자로서의 가능성도 확인됐다.

노용영 교수는 "OLED TV나 가상현실(VR), 증강현실(AR) 기기 등 차세대 디스플레이 분야와 메모리 연구를 위한 중요 성과"라며 "개발된 TFT가 다양한 산업에서 고부가가치를 창출하는 데 기여하기를 바란다"고 기대했다.

고성능·고안정성의 p형 박막 트랜지스터를 구현한 포스텍 연구팀. 왼쪽부터 휘휘 주 연구원, 노용영 교수, 아오 리우 연구원. 포스텍 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]