UNIST, 산화물 반도체 결함 제어 원리 규명
핵심 요약
UNIST 연구진이 산화물 반도체의 산소 빈자리 결함 성질이 결함 밀도가 아닌 주변 금속 원자 간 거리에 의해 결정됨을 이론 계산으로 증명했다. 열처리와 인장 변형은 금속 원자 간 거리를 벌려 결함 준위를 높이고 전자가 박막 전체로 퍼지게 한다. 이 연구는 열처리 조건이나 박막 응력 설계를 통해 반도체 소자의 문턱전압, 전류 특성, 신뢰성을 제어하는 데 활용될 수 있다.
울산과학기술원(UNIST) 연구진이 산화물 반도체의 성능을 좌우하는 산소 빈자리 결함의 성질이 결함 밀도가 아닌 주변 원자 간 거리에 의해 결정된다는 사실을 이론 계산으로 증명했다. 반도체소재·부품대학원 정창욱 교수팀은 19일 이 같은 연구 결과를 발표했다.
연구팀에 따르면 산화물 반도체 IGZO(인듐·갈륨·아연·산소)를 박막으로 제조할 때 산소 자리가 비는 결함이 발생하며, 이 결함에 남은 전자가 빈자리 주변에 갇히느냐 박막 전체로 퍼지느냐에 따라 소자의 작동 전압과 성능이 달라진다. 전자의 상태는 산소 빈자리 주변 금속 원자 사이 거리에 따라 결정된다. 특정 금속 원자 간 거리가 가까우면 전자가 빈자리에 갇히고, 멀어지면 박막 전체로 퍼진다. 이는 결함 준위의 변화에서 비롯되며, 결함 준위가 낮고 깊을수록 전자가 강하게 붙잡힌다.
열처리와 박막을 잡아당기는 인장 변형은 모두 금속 원자 사이를 벌려 결함 준위를 높이는 효과가 있다. 결함 준위가 높아지면 전자가 빈자리에서 빠져나와 박막 전체로 퍼지기 쉬워진다. 연구팀은 이 이론이 기존에 서로 맞지 않아 보였던 열처리와 압축이 산소 빈자리 성질에 미치는 영향도 일관되게 설명할 수 있다고 밝혔다.
정창욱 교수는 "산소 빈자리 결함은 피하기 어렵지만, 그 전기적 역할을 공정 조건으로 조절할 수 있음을 입증했다"며 "열처리 조건이나 박막 응력을 설계하면 문턱전압, 전류 특성, 신뢰성을 함께 제어하는 데 활용할 수 있을 것"이라고 설명했다. 이번 연구는 미국화학회(ACS) 발행 학술지 '케미스트리 오브 머티리얼즈'에 6월 23일 게재됐으며, 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업 지원을 받았다.
