초광대역갭 산화물 활용 … 결함 원인도 비파괴 분석
전북대학교는 전자공학부 배학열 교수 연구팀이 홍익대와 미국 미네소타대 연구진과 공동으로 우주·항공 등 극한환경에서 활용할 수 있는 차세대 반도체 소자를 개발했다고 5일 밝혔다.
연구팀은 높은 전압과 강한 전기장에서도 안정적으로 작동할 수 있는 ‘초광대역갭’ 소재인 스트론튬 주석 산화물(SrSnO3)을 활용해 전계효과 트랜지스터(FET)를 제작했다.
초광대역갭 반도체는 기존 실리콘보다 높은 전압과 온도에 견딜 수 있어 전력반도체나 우주·항공용 전자장치 소재로 주목받는다. 하지만 내부에 생기는 미세한 결함이 성능과 수명을 떨어뜨릴 수 있다는 문제가 있다.
연구팀은 스트론튬 원자의 일부를 란타넘으로 바꾸는 방식으로 전자의 양을 조절해 트랜지스터가 안정적으로 작동하도록 했다.
또 이 과정에서 생기는 산소 원자의 빈자리가 특정 파장의 빛에 반응한다는 점을 이용해 소자를 손상시키지 않고 내부 결함의 위치와 원인을 분석하는 방법도 제시했다. 연구팀은 이런 결함이 반도체 성능과 장기 신뢰성에 직접 영향을 준다는 점을 확인했다.
개발한 트랜지스터는 전류를 켰을 때와 껐을 때의 차이를 나타내는 ‘전류 점멸비’가 1000억배 이상으로 나타났다. 전류 점멸비가 높을수록 전원을 끈 상태에서 새는 전류가 적고 스위칭 성능이 우수하다는 의미다.
연구팀은 이번 연구가 주로 태양전지와 광전자 소재로 연구돼온 페로브스카이트 산화물을 고신뢰성 반도체 소자로 활용할 가능성을 보여줬다고 설명했다.
배 교수는 “고성능 반도체 소자를 구현하는 데 그치지 않고 장기 신뢰성을 떨어뜨리는 결함의 원인까지 규명했다”며 “우주·항공·국방과 극한환경 전자시스템에 활용할 수 있는 기술로 발전시키겠다”고 말했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 최신호에 게재됐다.
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