산화물 반도체 소자 성능 결정하는 '산소결함 원리' 규명

UNIST, 산소 빈자리 성질 결정 요인 규명…"공정 설계 달라질 것"

산화물 반도체의 성능을 좌우하는 '산소 빈자리 결함' 작동 원리가 처음 밝혀졌다. 디스플레이·차세대 메모리용 소자 열처리와 박막 구조를 정하는 공정 설계에 영향을 미칠 전망이다.

UNIST는 정창욱 반도체소재·부품대학원 교수 연구팀이 산화물 반도체의 산소 빈자리 결함의 성질을 결정하는 것이 반도체 물질 전체에 원자들이 얼마나 촘촘하게 들어차 있는지가 아니라, 결함 주변 금속 원자 사이 거리라는 사실을 이론 계산을 통해 증명했다고 19일 밝혔다.

UNIST 연구팀. 왼쪽부터 정창욱 교수, 장형준 연구원(제1저자), 박윤주 연구원, 박범진 연구원.(사진=UNIST)

증명은 인듐, 갈륨, 아연과 산소로 이뤄진 산화물 반도체 'IGZO'로 이루어졌다. 이 소재는 낮은 온도에서 박막으로 만들기 쉬워 스마트폰과 TV 화면을 작동시키는 박막트랜지스터 반도체 소자 재료로 널리 쓰인다.

그런데, IGZO는 박막으로 제조하는 과정에서 산소 자리가 듬성듬성 비는 결함이 생긴다. 이 결함이 전류 흐름과 작동 전압을 바꿔 소자 성능을 불안정하게 만들기도 한다.

연구팀은 산소가 빠진 자리에 남은 두 개의 전자가 빈자리 주변에 갇히느냐 박막 전체로 퍼지느냐에 따라 소자 작동 전압과 성능이 달라짐을 확인했다.

전자가 빈자리 주변에 갇히거나 박막 전체로 퍼지는 상태는 산소 빈자리 주변의 원자 배열에 따라 달라진다. 특정 금속 원자 사이가 가까워지면 전자가 빈자리 주변에 갇히고, 멀어지면 박막 전체로 퍼진다는 것.

정창욱 교수는 “산소 빈자리 결함은 산화물 반도체에서 피하기 어려운 결함이지만, 그 결함의 전기적 역할을 공정 조건으로 조절할 수 있음을 이번 연구를 통해 입증했다”며 "열처리 조건이나 박막에 걸리는 응력을 설계하면 문턱전압, 전류가 켜지고 꺼지는 특성, 신뢰성을 함께 제어하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

연구결과는 미국화학회(ACS) 학술지 '케미스트리 오브 머티리얼즈(Chemistry of Materials)'에 오프라인으로 게재됐다.

산화물 반도체에 압축·인장 변형과 열처리를 각각 했을 때 산소 빈자리의 전자 상태 변화를 나타냈다.(그림=UNIST)