페로브스카이트 트랜지스터 연구 분야에서 네이처 발표된 첫 사례
국내외 연구팀이 공기와 맞닿는 순간 표면 이온이 산화되면서 망가지는 현상을 해결한 차세대 반도체를 개발했다.
연구팀은 성능·안정성을 끌어올린 새로운 반도체 기술을 '네이처(Nature)'에 발표했다.
포스텍(포항공대) 화학공학과 노용영 교수 연구팀(박건웅·노유진 박사, 통합과정 이동현) 주도로 성균관대 박지상 교수 연구팀, 중국 전자과학기술대(UESTC) 아오 리우 교수·휘휘 주 교수 연구팀이 수행한 이번 연구성과는 현지 시각 기준으로 지난 1일 오후 4시 발표됐다.
페로브스카이트 트랜지스터 연구 분야에서 네이처에 발표된 첫 연구라는 점에서 의미가 크다.
스마트폰 속에는 수많은 트랜지스터가 자리하고 있다.
'트랜지스터'는 전기 신호를 켜고 끄는 작은 스위치로, 전자를 나르는 'n형'과 정공(전자가 빠져나가 생긴 자리)을 나르는 'p형'으로 나뉜다.
두 종류의 트랜지스터가 균형을 이뤄야 고성능·저전력 반도체를 만들 수 있는데, p형 트랜지스터 성능을 끌어올리기가 유독 까다로워 과학기술정보통신부 선정 '반도체 분야 10대 미래 난제'로 꼽히기도 했다.
주석 기반 페로브스카이트는 바로 이 난제를 풀 유력한 후보로 주목받아 왔다.
하지만 반도체에 맞먹는 성능 이면에 공기에 너무 취약하다는 약점이 있어 상용화가 어려웠다.
연구팀은 '휘발성 표면 재구축'이라는 전략을 통해 해법을 모색했다.
세슘-주석-아이오딘 반도체 표면에 칼륨 아세테이트라는 물질을 처리하자, 성능 저하의 원인이었던 미반응 주석 이온이 휘발성 화합물인 주석 아세테이트로 바뀌어 공기 중으로 깔끔히 날아가 버렸다.
게다가 주석 이온이 빠져나간 자리에 칼륨 아이오다이드가 자연스럽게 생성되며, 외부 환경으로부터 반도체를 지키는 '자가방어층'이 형성됐다.
그 결과, 소자를 켜는 데 필요한 문턱전압이 낮아졌고, 정공 이동도와 전류를 켜고 끌 때의 차이를 보여주는 전류 점멸비 역시 만족스러운 수준을 나타내며 세계 최고 수준의 p형 페로브스카이트 트랜지스터 성능이 실현됐다.
무엇보다 주목할 부분은 공기 안정성이다. 기존 소자가 공기 중에서 몇 분 만에 무너졌다면, 새 소자는 4시간 넘게 거뜬히 버텼다. 또 100℃의 가속 열화 조건에서도 한 달 이상 초기 성능을 유지했다.
연구팀이 확보한 높은 환경·열 안정성은 소자를 여러 층으로 쌓고 넓은 면적에 만드는 반도체 칩 공정의 기반 기술이 될 전망이다.
노용영 교수는 "불가능하다고 여겨졌던 주제를 믿고, 지난 6년간 꾸준히 지원해 준 삼성디스플레이와 과학기술정보통신부 덕분에 관련 분야에서 세계 최초로 네이처에 보고하는 성과를 낼 수 있었다"며 "앞으로 차세대 디스플레이 구동 회로를 비롯해 웨어러블 기기, 고집적 반도체 소자 등 폭넓은 미래 전자산업 분야 핵심 기술로 다양하게 활용될 것으로 기대된다"고 했다.
