한국전자통신연구원의 한 연구원이 스퍼터 장비에서 Te 기반 p형 반도체 박막이 증착되는 현상을 확인하고 있다. [한국전자통신연구원 제공]

국내 연구진이 반도체산업 혁신을 주도할 p형 반도체 소재와 이를 활용한 박막 트랜지스터 개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 텔레륨(Te) 기반의 칼코지나이드계 p형 반도체 소재를 활용, 상온 증착이 가능하면서도 공정이 단순한 p형 Se-Te(셀레늄-텔레늄) 합금 트랜지스터를 개발했다고 24일 밝혔다.

또 n형 산화물 반도체와 p형 Te의 이종접합 구조에서 Te 박막의 전하 주입 제어를 통해 n형 트랜지스터의 문턱전압을 체계적으로 조절할 수 있는 기술도 개발했다고 ETRI는 전했다.

반도체는 도핑의 여부에 따라 진성반도체와 불순물 반도체로 구분된다. 불순물 반도체는 이렇게 첨가된 불순물에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 구분된다.

현재 디스플레이 분야에 널리 활용되는 소재는 주로 인듐갈륨아연산화물(IGZO) 기반의 n형 산화물 반도체다.

p형 산화물 반도체의 경우 n형 산화물 반도체 대비 전기적 특성과 공정성이 확보되지 않아 p형 저온다결정실리콘(LTPS)을 사용하고 있지만, 제조 비용이 많이 들고 기판 크기에 제약이 있다는 한계점이 있다.

하지만 최근 고해상도 디스플레이, 특히 SHV급(8K·4K)급의 해상도에서 240㎐ 이상의 주사율이 요구되면서 p형 반도체 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.

ETRI 연구팀은 Te에 Se을 첨가함으로써 채널층의 결정화 온도를 높여 상온에서 비정질 박막을 증착한 후 후속 열처리를 통해 이를 결정화한 p형 반도체 개발에 성공했다. 그 결과 이동도의 개선과 기존 트랜지스터 대비 높은 온·오프라인 전류비 특성을 확보했다.

또 연구팀은 Te 기반의 p형 반도체를 n형 산화물 반도체 박막 위에 이종접합 구조로 도입했을 때, Te의 두께에 따라 n형 트랜지스터의 전자의 흐름을 제어, n형 트랜지스터의 문턱전압을 조절할 수 있음도 확인했다.

특히 패시베이션층 없이도 이종접합 구조에서 Te의 두께를 조절하여 n형 트랜지스터의 안정성을 개선시켰다.

이번 성과를 활용, 고해상도와 저소비전력을 동시에 만족시키는 차세대 디스플레이 산업 발전에 속도가 붙을 전망이다.

조성행 ETRI 플렉시블전자소자연구실 책임연구원은 “OLED TV와 확장현실(XR) 기기 등 차세대 디스플레이 분야와 초저전력 상보형금속산화 반도체(CMOS) 회로, DRAM 메모리 연구 등에 폭넓게 활용될 수 있는 중요한 성과”라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘미국화학회(ACS) 응용재료 및 인터페이스’에 올해 4월과 6월 각각 게재됐다. 구본혁 기자