전북대-GIST, 차세대 질화물 반도체 전기적 특성 저하 규명

전북대 연구팀.

전북대학교는 박광욱 전자재료공학전공 교수팀이 저비용 차세대 질화물 반도체로 주목받는 아연주석질화물반도체(ZnSnN₂) 박막에서 두께 증가에 따라 전기적 특성이 저하되는 원인을 규명했다고 20일 밝혔다.

이번 연구는 박광욱 교수와 황주찬 전북대 박사과정생, 강철 광주과학기술원(GIST) 고등광기술연구원(APRI) 수석연구원과 김영일 연구원이 공동으로 수행했다.

ZnSnN₂는 지표상에 풍부하고 상대적으로 저렴한 아연(Zn)과 주석(Sn)을 사용하는 II-IV-N₂계 질화물 반도체다. 갈륨나이트라이드(GaN) 등 기존 III-N 화합물 반도체를 보완할 수 있는 차세대 저비용 반도체 소재로 주목받고 있다. 가시광 대역 응용 가능성이 커 광검출기, 태양전지, 광전자소자 등 다양한 분야로의 확장이 기대한다.

박광욱 교수팀은 고가의 분자선 에피택시(MBE)나 금속유기화학기상증착(MOCVD) 대신 산업적 확장성이 높은 스퍼터 증착법을 활용해 ZnSnN₂ 박막을 성장시키고, 성장 시간에 따른 전기적 특성 저하 원인을 분석했다. 스퍼터로 성장한 질화아연주석 박막은 수직 컬럼 구조를 이루며 성장하는데, 박막이 두꺼워질수록 전자 이동도와 전기전도도가 감소하는 현상이 나타났다.

연구팀은 Hall 측정과 테라헤르츠 시간영역 분광법(THz-TDS)을 함께 적용해 이러한 현상이 ZnSnN₂ 자체의 물성 열화 때문인지, 아니면 미세구조 변화에 기인한 것인지를 구분했다. 그 결과, 박막 전체의 거시적 전기 수송 특성은 크게 저하된 반면, 개별 컬럼 내부의 국소적 전기 응답은 거의 유지되는 것으로 확인됐다.

전자현미경 및 회절 분석에서도 성장 시간이 길어질수록 컬럼 폭 증가, 컬럼 기울기 증가, 컬럼 간 공극 형성이 관찰됐다. 이는 두꺼운 ZnSnN₂ 박막의 전기적 특성 저하가 개별 컬럼 내부 물성의 저하보다는 컬럼 간 공극 확대와 연결성 약화에 의해 발생함을 의미한다.

박광욱 교수는 “이번 연구는 스퍼터로 성장한 질화아연주석 박막에서 전기적 특성 저하의 원인이 소재 자체의 열화가 아니라 컬럼 간 연결성 저하에 있음을 보여준 것”이라며 “저비용 질화물 반도체를 실제 소자로 활용하기 위해서는 조성 제어뿐 아니라 미세구조와 전하 수송 경로를 함께 제어해야 한다”고 말했다.

전주=김한식 기자 hskim@etnews.com