IGZO 반도체 결함 제어 원리, 국내 연구진이 최초 규명

UNIST 정창욱 교수 연구팀이 산화물 반도체의 성능을 결정짓는 '산소 빈자리 결함'의 작동 원리를 이론 계산으로 처음 밝혀냈다. 이 결함은 IGZO(인듐-갈륨-아연-산소) 같은 산화물 반도체에서 흔히 발생하며, 전류 흐름과 작동 전압을 변화시켜 소자 성능을 불안정하게 만드는 주요 요인으로 지적돼 왔다.

연구팀은 산소가 빠진 자리에 남은 두 개의 전자가 결함 주변에 갇히느냐, 박막 전체로 퍼지느냐에 따라 소자의 문턱전압과 성능이 달라진다는 사실을 확인했다. 특히 이 상태는 결함 주변 금속 원자 사이의 거리에 의해 결정되며, 원자 간 거리가 가까우면 전자가 갇히고 멀면 퍼지는 현상을 증명했다.

IGZO는 낮은 온도에서 박막 형성이 가능해 스마트폰과 TV 디스플레이의 박막트랜지스터 재료로 널리 사용된다. 하지만 박막 제조 과정에서 산소 자리가 비는 결함이 생기기 쉬워 소자 신뢰성에 문제를 일으켜 왔다. 이번 연구는 결함 자체를 없애는 대신 그 전기적 역할을 공정 조건으로 조절할 수 있는 길을 열었다.

정창욱 교수는 "열처리 조건이나 박막 응력 설계를 통해 문턱전압, 전류 특성, 신뢰성을 함께 제어할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 연구 결과는 미국화학회 학술지 '케미스트리 오브 머티리얼즈'에 게재됐으며, 디스플레이와 차세대 메모리용 소자 공정 설계에 직접적인 영향을 줄 것으로 기대된다.