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전북대학교 전자공학부 정소진 석사과정생(지도교수 배학열)이 고내구성 차세대 반도체 소자를 개발해 학계의 비상한 관심을 받고 있다.
정 석사과정생은 n-type 산화물 반도체인 α-IGZO(Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide)를 기반으로 고내구성 반도체 소자를 개발했다. 개발된 소자는 우주 환경과 유사한 방사선 조건에서도 안정성을 확보할 수 있어 차세대 우주항공 분야와 같은 극한 환경용 반도체로 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구는 배학열 교수 연구팀과 홍익대학교 이기영 교수(신소재공학부) 연구팀의 공동 연구로 진행됐으며, 세계 최고 수준의 나노소재 전문 저널인 ‘Nano Letters’ 최신호(Q1, JCR 상위 10% 이내)에 게재됐다.
이번 연구는 차세대 3D DRAM에 적용 가능한 α-IGZO 소자의 방사선 열화(劣化:성능이 저하되는 현상) 메커니즘과 성능 복구, 그리고 열화를 최소화할 수 있는 반도체 박막의 임계 두께를 세계 최초로 발견해냈다는 데 큰 이목을 끈다. 우주환경 등 극한의 환경에서도 반도체 소자가 금세 성능을 회복하고, 방사선에 강한 내방사선성까지 확보할 수 있는 기술이다.
α-IGZO 반도체는 높은 이동도와 낮은 누설 전류, 그리고 박막 증착의 용이성 등으로 인해 디스플레이용 트랜지스터로 널리 상용화되어 있다. 최근에는 수직적층 구조가 핵심인 3D DRAM 셀 트랜지스터 분야에서도 주목받는 소재로, 특히 3eV 이상의 넓은 밴드갭과 높은 항복 전압 특성으로 인해 극한 환경, 우주항공 분야에서도 활용 가능성이 크다.
이번 연구에서 전북대 연구진은 α-IGZO 반도체가 감마선, 알파선, 양성자 등 우주 방사선에 노출될 경우 발생하는 결함에 주목했다. 누적된 감마선 선량(TID)에 의해 산소와 금속 결합이 끊어지고, 이 때 생성되는 결함 증가로 반도체 소자의 성능이 저하됨을 정량적으로 분석했다. 이와 함께 전기적 및 열적 어닐링 기술을 통해 소자의 성능을 초기 상태로 회복시킬 수 있음을 실험으로 입증했다.
뿐만 아니라 α-IGZO 반도체의 두께에 따른 전기적 특성과 방사선에 의한 열화의 상관관계를 통해 특정 두께에서 내방사선성을 가질 수 있다는 결과를 보고했다.
배학열 교수는 “이번 연구는 기술 성숙도가 높은 α-IGZO 반도체 소재를 활용해 와이드밴드갭 소재 기반 고내구성 반도체 소자를 개발한 것이 큰 의미가 있다”며 “α-IGZO 반도체 소재가 차세대 DRAM 셀 트랜지스터 적용에 큰 주목을 받고 있는 만큼 관련 기술을 확대하고, 이 분야의 전문 인력 양성에도 박차를 가하겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 나노 및 소재기술개발사업 ‘소재 글로벌 영커넥트’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.
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