전북대학교 전자재료공학전공 박광욱 교수 연구팀이 저비용 차세대 질화물 반도체로 주목받는 ZnSnN₂ 박막에서 두께 증가에 따라 전기적 특성이 저하되는 원인을 규명했다.

이번 연구는 전북대학교 전자재료공학전공 박광욱 교수와 황주찬 박사과정생, 광주과학기술원 고등광기술연구원(APRI)의 강철 수석연구원과 김영일 연구원이 공동으로 수행했다.

ZnSnN₂는 지표상에 풍부하고 상대적으로 저렴한 Zn과 Sn을 사용하는 II-IV-N₂ 계열 질화물 반도체로, GaN 등 기존 III-N 화합물 반도체를 보완할 수 있는 차세대 저비용 반도체 소재로 주목받고 있다. 특히 가시광 대역 응용 가능성이 커 광검출기, 태양전지, 광전자소자 등 다양한 분야로의 확장이 기대된다.

박광욱 교수팀은 고가의 MBE나 MOCVD 대신 산업적 확장성이 높은 스퍼터 증착법을 이용해 ZnSnN₂ 박막을 성장시키고, 성장 시간에 따른 전기적 특성 저하 원인을 분석했다. 스퍼터 성장 ZnSnN₂ 박막은 수직 컬럼 구조를 이루며 성장하는데, 박막이 두꺼워질수록 전자 이동도와 전기전도도가 감소하는 문제가 나타났다.

연구팀은 Hall 측정과 테라헤르츠 시간영역 분광법(THz-TDS)을 함께 활용해 이 현상이 ZnSnN₂ 물성 자체의 열화 때문인지, 아니면 미세구조 변화 때문인지를 구분했다. 그 결과, 박막 전체의 거시적 전기 수송 특성은 크게 저하된 반면, 개별 컬럼 내부의 국소적 전기 응답은 거의 유지되는 것으로 나타났다.

전자현미경 및 회절 분석에서도 성장 시간이 길어질수록 컬럼 폭 증가, 컬럼 기울기 증가, 컬럼 간 공극 형성이 확인됐다. 이는 두꺼운 ZnSnN₂ 박막의 전기적 특성 저하가 개별 컬럼 내부의 물성 저하보다는 컬럼 간 공극과 연결성 저하에 의해 발생함을 의미한다.

박광욱 교수는 “이번 연구는 스퍼터 성장 ZnSnN₂ 박막에서 전기적 특성 저하의 원인이 소재 자체의 열화가 아니라 컬럼 간 연결성 저하에 있음을 보여준 것”이라며 “저비용 질화물 반도체를 실제 소자로 활용하기 위해서는 조성뿐 아니라 미세구조와 전하 수송 경로를 함께 제어해야 한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 2025년도 전북대학교 국립대학육성사업 중점분야별 연구 특성화 전략 실행 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 발간하는 국제학술지 Journal of Materials Chemistry C에 “Consistent Evidence for Intra- and Inter-Columnar Transport Decoupling in Sputter-Grown ZnSnN₂ Thin Films through Growth-Driven Microstructural Evolution”이라는 제목으로 게재됐다 (DOI: 10.1039/d6tc01289b).