산화물 반도체 성능 가르는 산소 빈자리 결함 원리 규명

산화물 반도체 소자 성능에 영향을 주는 산소 빈자리 결함의 작동 원리가 확인됐다. UNIST는 정창욱 반도체소재·부품대학원 교수 연구팀이 산화물 반도체에서 산소 빈자리 결함의 성질을 좌우하는 요인을 이론 계산으로 증명했다고 19일 밝혔다.

연구팀이 살핀 소재는 인듐, 갈륨, 아연과 산소로 이뤄진 산화물 반도체 IGZO다. IGZO는 낮은 온도에서 박막으로 만들기 쉬워 스마트폰과 TV 화면을 구동하는 박막트랜지스터 반도체 소자 재료로 쓰인다.

IGZO를 박막으로 만드는 과정에서는 산소 자리가 비는 결함이 생긴다. 이 산소 빈자리 결함은 전류 흐름과 작동 전압을 바꾸며 소자 성능을 불안정하게 만들기도 한다.

연구팀은 산소가 빠진 자리에 남은 두 개의 전자가 어디에 놓이느냐에 따라 소자 작동 전압과 성능이 달라진다고 확인했다. 전자가 빈자리 주변에 갇히는 상태와 박막 전체로 퍼지는 상태가 나뉘며, 이 차이는 산소 빈자리 주변 원자 배열과 연결된다.

특정 금속 원자 사이가 가까워지면 전자는 빈자리 주변에 갇히고, 멀어지면 박막 전체로 퍼진다. 연구팀은 산소 빈자리 결함의 성질을 정하는 기준이 반도체 물질 전체의 원자 밀도가 아니라 결함 주변 금속 원자 사이 거리라고 봤다.

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.