방사선이 반도체 고장 일으키는 원인 밝혀냈다

원자력연구원-재료연구원 공동연구
감마선이 반도체 내부 성질 변화 밝혀내

원자력연구원 방사선융합연구부 강창구 박사팀과 재료연구원 김용훈 박사팀이 트랜지스터를 방사선 측정용 보드 가운데 부착해 감마선 조사실험을 했다. 원자력연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국원자력연구원과 한국재료연구원이 공동 연구를 통해 방사선이 터널링 효과를 만들어내 반도체의 전기적 성질을 바꿔 고장을 일으킨다는 것을 밝혀냈다. 즉 방사선으로 인한 반도체 고장 원인은 소자 자체의 변화가 아니라 반도체 내부의 경계면과 제작공정에서 발생한 공기층이 연계돼 발생할 수 있음을 밝혀낸 것이다. 이는 인공위성이나 우주선용 반도체 개발을 위한 중요한 정보를 제공한 것으로 평가받고 있다.

원자력연구원 방사선융합연구부 강창구 박사는 25일 "방사선 영향평가 분석시스템의 고도화를 통해 나노소재 기반 반도체 소자가 방사선을 견디는 특성을 개선하고, 다양한 회로 수준에서 내방사선 반도체 연구를 수행할 계획"이라고 말했다.

강창구 박사팀과 재료연구원 김용훈 박사팀은 먼저 2차원 나노소재인 이황화몰리브덴을 활용해 트랜지스터를 제작했다. 이 트랜지스터는 실리콘 기판 위에 전자를 차단하는 절연체와 반도체 물질인 이황화몰리브덴을 층으로 쌓고 전극으로 연결해 전기신호를 처리하는 반도체 소자다.

이후 트랜지스터에 동위원소인 코발트60에서 나오는 감마선을 쪼여 특성을 분석했다. 그 결과, 감마선 조사량이 증가할수록 기존 실리콘 소재와 달리 트랜지스터에 전류가 흐르기 위한 최소한의 전압인 문턱전압이 높아짐과 동시에 전류가 소폭 감소해 반도체에 오류를 일으킬 수 있는 특이 현상이 나타났다.

이 현상은 이황화몰리브덴에 감마선을 쬐면 전자가 비정상적으로 빠져나와 절연체와의 경계면과 공기층으로 들어가는 전자 터널링 현상이 일어난 것이 원인이었다. 또한, 감마선 조사량이 증가할수록 더 많은 전자 터널링 현상이 일어남을 확인했다.

원자력연구원 정병엽 첨단방사선연구소장은 "나노소재를 이용한 내방사선 반도체 기술 개발은 아직 초기 단계"라며, "방사선으로 인해 화학적, 물리적 성질이 나빠지는 열화현상의 근본적 원인을 밝힐 수 있도록 노력하겠다"고 말했다.

한편, 이번에 밝혀낸 연구결과는 국제학술지 '나노머티리얼즈(Nanomaterials)' 8월호 표지논문으로 선정됐다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자