전북대, 차세대 항공우주 분야 반도체 손상 원인 정밀 분석법 개발

밴드갭내 상태 밀도 함수의 방사선 노출 전후의 변화.
밴드갭내 상태 밀도 함수의 방사선 노출 전후의 변화.

전북대학교는 배학열 전자공학부 교수팀이 김태완 서울시립대 첨단융합학부 교수팀과 함께 차세대 항공우주 분야 반도체의 손상 원인을 정밀하게 찾을 수 있는 분석법을 개발했다고 24일 밝혔다.

연구팀은 차세대 메모리에 적용하는 'IGZO'가 우주 환경에 존재하는 감마선에 노출되었을 때 발생하는 열화 메커니즘을 최초로 분석해 관련 분야 세계 최고 수준의 저널인 '어드밴스드 일렉트로닉 머티리얼스' 저널 최신호에 논문을 게재했다고 밝혔다.

IGZO는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)로 구성된 금속 산화물 소재로, 큰 면적을 차지하는 커패시터 없이 제작할 수 있어 소자의 집적도와 수율을 향상시킬 수 있다. 누설전류가 낮고 이동도가 상대적으로 높기 때문에 차세대 메모리소재로 주목을 받고 있다.

감마선은 방사성 붕괴에 생성된 원자핵으로 전자기파의 형태로 방출되는데 이는 항공, 군사, 의료기기 및 우주분야에서 불가피하게 노출될 가능성 농후하다. 때문에 감마선에 노출되는 척박한 환경에서 차세대 메모리가 제 역할을 수행하기 위해서는 감마선 환경에서의 열화 메커니즘을 분석하는 일이 매우 중요하다.

연구팀은 특정 파장대역의 광원을 이용해 에너지 밴드갭 내 상태 밀도 함수 특성화방법을 개발했다. 산화물 반도체 경우 밴드갭내 산소 공공이라는 결함을 가지고 있는데, 연구팀은 IGZO의 밴드갭보다 작은 광자에너지를 갖는 다양한 광원을 조사하여 결함의 양을 정량적으로 평가했다.

이 기술은 전류-전압(I-V) 측정분석을 이용했다. 산화물 반도체뿐만 아니라 실리콘, 2차원(2D) 채널, 그래핀 등 다양한 반도체 소재 및 미세 소자에 적용할 수 있는 장점이 있다.

왼쪽부터 배학열 전북대 교수, 김태완 서울시립대 교수, 유재욱 전북대 석박통합과정생.
왼쪽부터 배학열 전북대 교수, 김태완 서울시립대 교수, 유재욱 전북대 석박통합과정생.

연구팀은 이 연구에서 소개된 광-전기적 비파괴 분석방법으로 반도체 밴드갭 내 전 영역의 상태 밀도 함수변화를 관찰했다. 방사선 노출 이후 밴드갭 내 특정 에너지 준위에 산소 공공 관련 결함의 증가가 관찰되었다. 이러한 현상은 반도체 소자의 문턱전압 및 스위칭 특성에 치명적인 불안정성을 유발한다. 구성원소, 조성비, 화학적 결합상태 등 물리화학적 정보를 분석할 수 있는 엑스선 광전자 분광법(XPS)을 통해 실험 결과를 검증했다.

차세대 메모리 소재로 주목받는 IGZO는 여러 분야에 적용이 가능하여 높은 수준의 소자 신뢰성이 요구되고 더 나아가 방사선 환경에 노출돼 동작할 가능성이 높다. 이에 대한 분석이 중요한 만큼 이번 연구결과는 응용가치가 매우 클 것으로 기대된다.

배학열 교수는 “이번 연구를 통해 방사선으로 인한 항공우주용 반도체의 손상 원인을 규명할 수 있는 정밀한 분석법을 개발했다”라면서 “앞으로 높은 내방사선성을 갖는 반도체 소재 및 소자를 개발해 기술완성도를 높이겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 '기본연구' 및 전북대학교 4단계 BK21 JIANT-IT 인력양성사업단의 지원을 받아 이뤄졌다.

전주=김한식 기자 hskim@etnews.com