산화물 반도체 결함 제어의 핵심은 원자 간 거리

울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 스마트폰과 TV 디스플레이에 사용되는 산화물 반도체의 성능 저하 원인인 산소 빈자리 결함의 작동 원리를 규명했다. 반도체 전체의 원자 밀도가 아닌 결함 주변 금속 원자 사이의 거리가 결함의 전기적 성질을 결정한다는 사실을 이론 계산으로 입증했다고 19일 밝혔다.

연구팀은 인듐·갈륨·아연 산화물(IGZO)에서 산소가 빠진 자리에 남은 전자 두 개가 결함 주변에 갇히는지, 박막 전체로 퍼지는지에 따라 소자의 문턱 전압과 전기적 특성이 달라진다는 점을 확인했다. 결함 주변 특정 금속 원자 사이가 가까우면 전자가 갇히고, 멀어지면 퍼지는 현상을 발견했다. 결함 준위가 낮고 깊을수록 전자가 강하게 붙잡혀 빠져나오기 어려워진다.

IGZO는 낮은 온도에서 얇은 막으로 만들기 쉬워 박막트랜지스터(TFT)의 반도체 소재로 널리 쓰이지만, 제조 과정에서 산소 빈자리 결함이 생기면 전류 흐름과 작동 전압이 변해 소자 성능이 불안정해질 수 있다. 기존에는 열처리로 전체 원자 밀도가 높아지면 결함에 갇힌 전자가 퍼진다고 봤지만, 박막을 압축해 밀도가 높아질 경우 전자가 오히려 결함 주변에 갇히는 상반된 현상이 관찰됐다.

정창욱 교수는 “산소 빈자리 결함은 피하기 어렵지만, 결함의 전기적 역할을 공정 조건으로 조절할 수 있음을 입증했다”며 “열처리 조건이나 박막에 걸리는 응력을 설계하면 문턱 전압과 전류 특성, 신뢰성을 함께 제어하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 결과는 미국화학회(ACS) 발행 국제 학술지 ‘케미스트리 오브 머티리얼즈’에 지난달 23일 게재됐다.