사람에게는 공기는 절대 없어서는 안 될 존재지만, 어떤 반도체에게는 치명적인 독이다. 공기와 맞닿는 순간 표면에 있던 이온이 산화되며 결함이 생겨 망가지기 때문이다. 포스텍(POSTECH) 연구팀이 이 골칫거리를 해결하고, 성능·안정성을 끌어올린 차세대 반도체를 '네이처(Nature)'에 발표했다.

노용영 화학공학과 교수 연구팀(박건웅·노유진 박사, 통합과정 이동현) 주도로 성균관대 박지상 교수 연구팀, 중국 전자과학기술대(UESTC) 아오 리우 교수 및 휘휘 주 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 현지 시각 기준으로 지난 1일 오후 4시에 네이처에 게재됐다.

스마트폰 속에는 수많은 트랜지스터가 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. 정공이 매끄럽게 흐르는 데다, 현재 메모리 반도체, 고성능 디스플레이를 구동하는 저온 다결정 실리콘(LTPS)이나 산화물 반도체에 맞먹는 성능을 낼 수 있다. 문제는 공기에 너무 약하다는 점이다. 표면에 남아 있던 미반응 주석 이온(Sn2+)이 공기와 만나 산화되면서, 전하 흐름을 막는 결함이 잔뜩 생겨났고, 그로 인해 반도체 성능이 순식간에 무너졌다.

연구팀의 해법은 '휘발성 표면 재구축'이라는 전략이다. 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 형성되었다. 골칫거리는 증발시켜 없애고 빈자리는 보호막으로 메운, 일석이조 묘수였다.

그 결과, 소자를 켜는 데 필요한 문턱전압이 낮아졌고, 정공 이동도는 50cm²/V·s를 넘어섰으며, 전류를 켜고 끌 때의 차이를 보여주는 전류 점멸비는 1억(10⁸) 이상을 기록하는 등 세계 최고 수준의 p형 페로브스카이트 트랜지스터 성능을 달성했다. 주목할 부분은 공기 안정성이다. 기존 소자가 공기 중에서 몇 분 만에 무너졌다면, 새 소자는 4시간 넘게 거뜬히 버텼다. 100℃의 가속 열화 조건에서도 한 달 이상 초기 성능을 유지했다.

노용영 교수는 “불가능하다고 여겨졌던 주제를 믿고, 지난 6년간 꾸준히 지원해 준 삼성디스플레이와 과학기술정보통신부 덕분에 관련 분야에서 세계 최초로 네이처에 보고하는 성과를 낼 수 있었다”면서 “향후 Al 연산용 수직 적층형 DRAM 메모리 소자, 차세대 디스플레이 구동 회로를 비롯해 웨어러블 기기, 고집적 반도체 소자 등 폭넓은 미래 전자산업 분야 핵심 기술로 쓰일 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 지원하는 리더연구사업, 중견연구자사업, 삼성디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.

포항=정재훈 기자

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