한양대가 차세대 반도체 시장을 선도할 박막 트랜지스터(TFT) 기술을 개발했다.
한국연구재단은 한양대 박희준·김경학 교수팀이 차세대 반도체 소재인 페로브스카이트의 성능과 안정성을 동시에 극대화할 수 있는 새로운 방법을 규명해 고성능·장수명 TFT 구현에 성공했다고 20일 밝혔다.
저전력 전자기기와 집적회로 구현에 N형·P형 반도체 소자가 모두 필요하지만, 고성능 N형 소자와 달리 고성능 P형 소자 구현은 반도체 업계의 오랜 난제로 꼽힌다. P형은 순수 반도체에 불순물을 첨가해 양공 혹은 정공이 많고, N형은 전자가 많은 반도체다.
P형 소자 구현이 가능한 차세대 소재 페로브스카이트는 납을 함유해 실제 전자기기 적용에 제약이 있다.
반면 주석 기반 페로브스카이트가 납의 독성 문제를 해결할 수 있는 친환경 반도체로, 작은 유효 질량과 낮은 산란 특성으로 전하 수송에 장점을 가지며 P형 트랜지스터 채널 소재로의 응용 가능성이 높다.
그러나 주석 페로브스카이트 TFT는 대부분 정공 이동도가 낮고, 구동 시 큰 히스테리시스와 불안정한 임계 전압을 보이며, 수일 내에 성능이 급격히 저하되는 문제가 있다.
연구팀은 주석의 고질적 한계였던 산화와 박막의 품질 저하 문제를 해결하면 기존 상용화된 소재보다 우수한 성능 구현이 가능한 것에 주목했다.
이에 연구팀은 메틸암모늄클로라이드(MACl)를 이용해 페로브스카이트의 일부 양이온과 음이온을 치환함으로써 결함 밀도를 최소화하고 구조적 불안정을 극복할 수 있음을 규명했다.
아울러 이 전략으로 산화와 박막 품질 저하 문제를 동시에 해결해 최고 수준 성능의 P형 TFT를 구현했다.
실제 가속 수명시험 결과 상온에서 약 10년간 초기 성능의 70% 이상을 유지할 것으로 예측, 이는 OLED 상용화에 활용되는 캡슐화 기술과 결합할 경우 산업 현장에 즉시 적용이 가능한 수준이다.
이번 성과는 저온 용액공정이 가능해 대면적·저비용 제조에 적합하고, 초저전력 논리회로, 고해상도 디스플레이 구동 소자, 고감도 광센서 등 고이동도 P형 채널 트랜지스터가 필요한 다양한 전자회로에 응용될 수 있다.
또 납을 포함하지 않아 환경·규제 측면에서도 산업 적용에 유리하다.
박 교수는 “이번 연구는 주석 기반 페로브스카이트로 최고 수준의 전기적 성능과 장기 안정성을 동시에 달성한 첫 사례로, 친환경성과 고성능을 모두 갖춘 차세대 반도체 소재 상용화에 적용될 수 있다”며 “이를 바탕으로 지속가능성과 성능을 동시에 만족하는 새로운 친환경·고성능 반도체 플랫폼 구축으로 이어질 것으로 기대된다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 삼성전자 SAIT가 참여했고, 연구성과는 지난 17일 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재됐다.
