고해상도·초저전력 구현 `p형 반도체` 나왔다…적층형 반도체 한계 극복 제시

ETRI, 텔레륨 기반 p형 반도체 소재 개발
안정성 높인 이종접합 박막트랜지스터 구현

한국전자통신연구원(ETRI)은 고해상도와 초저전력을 구현하는 텔레륨 기반의 p형 산화물 반도체와 이를 활용한 합금 트랜지스터를 개발했다. ETRI 연구진이 스퍼터 장비를 이용해 텔레륨 기반의 p형 반도체 박막을 증착하는 모습. ETRI 제공

ETRI가 개발한 텔레륨 기반의 칼코지나이드계 p형 반도체 소재와 이를 활용한 합금 트랜지스터 개념도.

기존 적층형 반도체의 한계를 넘어 고해상도와 초저전력을 구현하는 새로운 p형 반도체 소재와 박막 트랜지스터가 개발됐다. 앞으로 차세대 디스플레이와 초저전력 반도체 소자 성능 향상에 기여할 전망이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 텔레륨(Te) 기반의 p형 반도체 소재를 활용해 상온 증착이 가능하면서 공정이 단순한 p형 Se-Te(셀레늄-텔레륨) 합금 트랜지스터를 개발했다고 23일 밝혔다.

반도체는 도핑 여부에 따라 진성 반도체와 불순물 반도체로 나뉘는데, 진성 반도체에 특정 불순물을 첨가해 반도체 특성과 전기전도도를 조절·활용한다. 불순물 반도체는 첨가된 불순물에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 구분된다.

현재는 주로 인듐갈륨아연산화물(IGZO) 기반의 n형 산화물 반도체를 사용한다. p형 산화물 반도체의 경우 n형 산화물 반도체에 비해 전기적 특성과 공정성이 확보되지 않아 제조 비용이 많이 들고, 기판 크기에 제약이 있다.

하지만 최근에는 고해상도 디스플레이 수요 증가에 따라 기존 디스플레이에 쓰였던 n형 반도체 기반의 트랜지스터로 해상도를 높이는 데 한계가 있어 p형 반도체에 대한 수요가 높아지고 있다.

연구팀은 텔레륨에 셀레늄을 첨가해 채널층의 결정화 온도를 높여 상온에서 박막을 증착한 후, 후속 열처리를 거쳐 결정화한 p형 반도체를 개발했다. 이렇게 개발된 p형 반도체는 기존 트랜지스터와 달리 높은 온·오프라인 전류비를 나타냈다. 온·오프라인 전류비가 클수록 트랜지스터의 on/off 상태가 명확하게 구분돼 전력 효율이 증가하고 오류 발생 가능성이 줄어든다.

연구팀은 개발한 텔레륨 기반 p형 반도체를 n형 산화물 반도체 박막 위에 이종접합 구조로 만들어 텔레륨 두께에 따라 n형 트랜지스터의 전자 흐름을 제어함으로써 안정성을 향상시켰다.

나아가 최근 실리콘 관통전극(TSV)의 한계를 극복하는 적층 기술로 하나의 웨이퍼 위에 소재를 층층이 쌓아 올리는 '모놀리틱 3D(M3D)'의 고온 공정 문제를 해결할 수 있다는 점에서 M3D 상용화에 기여할 것으로 연구팀은 기대했다.

조성형 ETRI 책임연구원은 "유기발광다이오드(OLED) TV와 확장현실(XR) 기기 등 차세대 디스플레이 분야와 초저전력 상보형금속산화 반도체(CMOS) 회로 등에 폭넓게 활용될 것"이라며 "Te 기반의 p형 반도체를 6인치 이상의 대면적 기판에서 최적화해 다양한 분야에 적용해 나갈 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '미국화학회(ACS) 응용재료 및 인터페이스'에 지난 4월과 6월에 각각 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr