UNIST 연구팀, IGZO 결함 제어 이론 규명
핵심 요약
UNIST 연구팀이 IGZO 산화물 반도체의 산소 빈자리 결함 성질을 결정하는 요인이 주변 금속 원자 간 거리임을 이론 계산으로 증명했다. 전자가 빈자리에 갇히거나 퍼지는 상태는 결함 준위 깊이에 따라 달라지며, 열처리와 압축 효과의 차이를 설명할 수 있게 됐다. 연구 결과는 국제 학술지 '재료 화학'에 게재됐으며, 공정 조건을 통한 소자 성능 제어 가능성을 열었다.
울산과학기술원(UNIST) 반도체소재·부품대학원 연구팀이 산화물 반도체 IGZO의 성능을 좌우하는 산소 빈자리 결함의 성질을 결정하는 요인을 이론 계산으로 증명했다. 연구팀은 결함 주변 금속 원자 사이의 거리가 전자가 빈자리에 갇히거나 박막 전체로 퍼지는 상태를 결정한다는 사실을 밝혀냈다.
연구팀은 밀도범함수이론, 구성좌표 분석, 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 활용해 원자와 전자 상태를 계산했다. 그 결과 특정 금속 원자 사이가 가까워지면 전자가 산소 빈자리 주변에 갇히고, 멀어지면 박막 전체로 퍼지는 현상을 확인했다. 이는 결함 준위가 낮고 깊을수록 전자가 빈자리에 강하게 붙잡혀 빠져나오기 어렵기 때문이다.
IGZO는 인듐, 갈륨, 아연, 산소로 구성된 산화물 반도체로, 낮은 온도에서 박막을 만들기 쉬워 스마트폰과 TV 디스플레이의 박막트랜지스터 소재로 널리 사용된다. 박막 제조 과정에서 산소 빈자리 결함이 발생하면 전류 흐름과 작동 전압이 변해 소자 성능이 불안정해진다.
이번 연구는 기존에 상충돼 보였던 열처리와 압축 효과를 설명할 수 있는 이론적 근거를 제시했다. 열처리는 박막 내 빈 공간을 줄여 원자 밀도를 높이지만, 압축은 밀도를 높임에도 전자가 오히려 빈자리에 갇히는 현상이 보고돼 왔다. 연구를 이끈 정창욱 교수는 “산소 빈자리 결함은 피하기 어렵지만, 결함의 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 말했다.