노용영 POSTECH 교수.[POSTECH 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 스마트폰에 활용되는 p형 트랜지스터 성능을 획기적으로 높일 수 있는 원천기술 확보에 성공했다.

POSTECH(포항공과대학교) 노용영 교수 연구팀이 성능·안정성을 대폭 끌어올린 페로브스카이트 반도체를 개발했다고 2일 밝혔다. 이번 연구성과는 세계 최고 권위 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.

스마트폰 속에는 수많은 트랜지스터가 있다. ‘트랜지스터’는 전기 신호를 켜고 끄는 작은 스위치로, 전자를 나르는 ‘n형’과 정공(전자가 빠져나가 생긴 자리)을 나르는 ‘p형’으로 나뉜다. 두 종류의 트랜지스터가 균형을 이뤄야 고성능·저전력 반도체를 만들 수 있는데, p형 트랜지스터 성능을 끌어올리기가 유독 까다로워 과학기술정보통신부 선정 ‘반도체 분야 10대 미래 난제’로 꼽히기도 했다.

주석 기반 페로브스카이트는 바로 이 난제를 해결할 후보로 주목받아 왔다. 정공이 매끄럽게 흐르는 데다, 현재 메모리 반도체, 고성능 디스플레이를 구동하는 산화물 반도체에 맞먹는 성능을 낼 수 있다. 하지만 가장 큰 문제는 공기에 취약하다는 점이다. 표면에 남아 있던 미반응 주석 이온(Sn2+)이 공기와 만나 산화되면서, 전하 흐름을 막는 결함이 잔뜩 생겨났고, 그로 인해 반도체 성능이 순식간에 무너졌다.

연구팀의 제시한 해법은 ‘휘발성 표면 재구축)’이라는 전략이다. 세슘-주석-아이오딘(CsSnI₃) 반도체 표면에 칼륨 아세테이트(KAc)라는 물질을 처리하자, 성능 저하의 원인이었던 미반응 주석 이온이 휘발성 화합물인 주석 아세테이트(Sn(Ac)₂)로 바뀌어 공기 중으로 깔끔히 날아가 버렸다. 주석 이온이 빠져나간 자리에 칼륨 아이오다이드(KI)가 자연스럽게 생성되며, 외부 환경으로부터 반도체를 지키는 ‘자가방어층’이 형성됐다.

표면 재구축 공정으로 개발한 세슘-주석-아이오딘(CsSnI₃) 박막 기반 트랜지스터.[POSTECH 제공]

소자를 켜는 데 필요한 문턱전압이 낮아졌고, 정공 이동도는 50cm²/V·s를 넘어섰으며, 전류를 켜고 끌 때의 차이를 보여주는 전류 점멸비는 1억(10) 이상을 기록하는 등 세계 최고 수준의 p형 페로브스카이트 트랜지스터 성능을 달성했다. 특히 기존 소자가 공기 중에서 몇 분 만에 무너졌다면, 새 소자는 4시간 넘게 거뜬히 버텼다. 100℃의 가속 열화 조건에서도 한 달 이상 초기 성능을 유지했다.

노용영 교수는 “불가능하다고 여겨졌던 주제를 믿고, 지난 6년간 꾸준히 지원해 준 삼성디스플레이와 과학기술정보통신부 덕분에 관련 분야에서 세계 최초로 네이처에 보고하는 성과를 낼 수 있었다”고 말했다.

이어 “이번 연구는 주석 기반 페로브스카이트 반도체의 고질적 한계였던 낮은 안정성 문제를 해결하고 p형 페로브스카이트 박막 트랜지스터의 장기 안정성 확보와 직접회로 응용을 앞당기게 된 성과”라며 “향후 Al 연산용 수직 적층형 DRAM 메모리 소자, 차세대 디스플레이 구동 회로를 비롯해 웨어러블 기기, 고집적 반도체 소자 등 폭넓은 미래 전자산업 분야 핵심 기술로 쓰일 것”이라고 덧붙였다.