반도체 전하 이동도를 획기적으로 높일 수 있는 실마리가 밝혀졌다.
한국원자력연구원 양성자과학연구단은 실리콘 기판 상용 반도체에 질소 입자빔을 주입, 전하 이동도를 획기적으로 높이는 기술 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.
반도체 성능에 영향을 미치는 요소는 매우 다양한데, 전하 이동도도 그중 하나로, 이를 높이는 것은 난제로 남아있었다.
박준규 입자빔이용연구부 박사팀은 반도체 소재가 양옆에서 당겨지거나 휘면 전하 이동도가 높아지는 원리에 착안했다. 기존에는 유연성이 부족한 실리콘 기판에 힘을 가하기 어려웠는데, 연구팀은 입자빔을 주입해 실리콘 산화절연막을 부풀리는 방식을 개발했다.
반도체 소자에서 전류가 흘러야 하는 산화아연 반도체 박막 밑에 도핑된 실리콘 산화절연막에 질소 입자빔을 주입해 절연막이 팽창하면서 상부 반도체 박막이 당겨지도록 만든 것이다.
실험 결과 입자빔이 주입된 실리콘 산화절연막이 1.18% 팽창하면서 반도체 박막을 당기는 힘이 작용해 전하 이동도가 기존 대비 최대 2.5배 상승한 것으로 확인됐다.
연구팀이 사용한 반도체 박막 산화아연은 산소 결함이 생길수록 전하 밀도가 높아지는 특징을 가지는데, 입자빔이 산화아연 박막을 지나가는 과정에서 산소 결함이 추가로 만들어져 전하 밀도가 기존 대비 최대 6배까지 상승하는 것을 확인했다.
입자빔 주입으로 반도체 소자에서 전하 이동 속도가 빨라지고, 전하도 더 많이 생기는 효과를 함께 얻을 수 있어 반도체 성능을 획기적으로 개선할 수 있다.
연구팀은 입자빔을 활용한 본 기술이 범용 반도체 소자 기판으로 활용되는 산화알루미늄 절연막에서도 재현되는 것을 확인했다. 또 전산 시뮬레이션 연구도 진행해 반도체 성능 향상을 위한 입자빔 주입 조건 및 제약사항 등을 도출해 기술 활용성을 높였다.
이 기술은 박막 트랜지스터 형태 반도체 소자를 사용하는 디스플레이 및 태양전지 산업에 바로 적용이 가능할 것으로 예상된다. 고효율 광전변환 소자 개발에도 기여할 것으로 기대된다.
이재상 양성자과학연구단장은 “이번 연구는 방사선 기술을 활용해 반도체 성능 향상의 허들을 극복한 사례”라며, “연구원의 핵심 시설을 활용해 국가전략산업의 기술적 한계 극복에 힘을 보태겠다”고 밝혔다.
이번 연구는 국가과학기술연구회(NST) 창의형 융합연구사업 지원을 받아 한국기초과학지원연구원, 대구경북과학기술원과 공동 진행했다. 연구 결과는 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
