박진성 신소재공학부 교수가 이끄는 연구팀인 정보소재 및 전자소자 연구실이 초고이동도 유사 단결정 산화물 반도체(이하 IGZO) 소재 개발에 성공했다. 박 교수 연구팀의 김윤서(신소재공학부 석박사통합과정) 씨는 해당 연구의 제1 저자로 참여했다. 새로 개발한 초고이동도 IGZO 반도체 소재는 차세대 디스플레이와 반도체에 새로운 가능성을 보여줬다. 연구 속 이야기를 박 교수와 김 씨에게 들었다.

IGZO 소재는 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 산소(O)로 이루어진 IGZO 반도체 물질이다. 현재 자체에서 빛을 발하는 디스플레이인 AMOLED(Active Matrix Organic Light-Emitting Diode) 제품의 트랜지스터 반도체와 OLED TV, 스마트폰 등의 양산에 적용되고 있다.

제품 양산에는 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, 이하 PVD) 기반의 비정질 IGZO가 사용되고 있다. 증착은 웨이퍼(Wafer)에 특정한 분자 혹은 원자 단위의 박막을 일정한 두께를 가지도록 입히는 반도체 공정 과정이다. 증착법에는 물리적 증착법과 화학적 증착법으로 나뉜다. 물리 기상 증착법은 증착할 물질에 직접 물리적으로 에너지를 가해 증착하는 방식이다. 

현재 디스플레이 양산에 사용 중인 IGZO는 저온다결정실리콘(LPTS)의 이동도(~80 cm2/Vs) 대비 낮은 수준의 이동도(10-30 cm2/Vs)를 갖는다. 또한 PVD를 사용하기에 복잡한 3차원 구조 적용 한계를 갖고 있다. 따라서 미래 디스플레이 및 반도체 분야로의 응용에 제약이 있다.

박 교수 연구팀은 기존 PVD와 다른 표면 화학 반응을 이용하는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, 이하 ALD)을 통해 단결정 구조를 모사하여 유사 원자 적층 구조를 합성한 것이다. 그는 화학적 증착법 중 하나인 원자층 증착법을 택했다. 특히 플라스마를 활용해 박막이나 나노 입자를 원자층 단위로 정밀하게 증착하는 플라스마 원자층 증착법(PEALD)을 연구에 이용했다.

박 교수는 "이번 연구를 통해 기존 산업에 사용된 PVD의 한계와 비정질에 의한 전기적 특성(이동도< 30cm2/Vs)의 한계를 극복했다"며 "본 공정을 사용하면 초고이동도(>100 cm2/Vs) 구현이 가능하고, 복잡한 3차원 구조에 균일한 두께와 조성 적용이 가능해진다"고 밝혔다.

초고이동도 IGZO 반도체 소재는 장점이 많아 향후 디스플레이, 반도체 집적화 소재로 기대받고 있다. 박 교수는 "이 소재는 미래 3차원 반도체 구조에 적용이 가능하며 초고이동도, 우수한 신뢰성의 특성을 갖는다"며 "매우 낮은 누설전류를 갖기에 차세대 디스플레이와 3차원 초고집적 미래 반도체 분야에서 실리콘 채널을 대체할 핵심 원천 기술로 활용할 수 있을 것이다"고 말했다.

박 교수는 "또한 현재 데이터 센터의 엄청난 전력 소모를 절감하는 등 에너지 문제 해결에도 도움이 될 것이다"며 "이는 세계적 방향성인 국가지속가능한발전 목표(SDGs)와도 부합한다"고 답했다.

처음부터 단결정 모방 IGZO 반도체 소재 연구가 계획된 것은 아니었다. 김 씨는 ALD 기반 고이동도 산화물 반도체를 목표로 연구하던 중 우연히 초고이동도(100 cm2/Vs 이상)의 특성이 발현되는 조건을 발견했다. 김 씨는 "다양한 분석법을 통해 ALD 기반의 단결정을 모방하면 고이동도거 발현됨을 확인했다"고 밝혔다.

해당 연구에서 ALD 장비 관리와 미세한 변화 분석이 관건이었다. 김 씨는 "약 1년 6개월간 연구하다 보니 사용 누적으로 인해 ALD 장비에 오염이 생겨 결괏값에 오차가 생겼다"며 "장비의 오염을 관리하면서 실험하는 것이 중요했다"고 말했다.

일반적인 분석법으로는 미세한 원소들의 변화를 관찰하기 어렵다. 그는 "가장 민감한 분석법인 수소 분석(TDS)을 시행하기 위해 일본에 샘플을 보내기도 했다"고 설명했다. 이어 김 씨는 "더욱 정확한 구조 분석을 위해서는 샘플을 파괴하지 않고 관찰해야 했다"며 "이를 위해 경북 포항시의 방사광 가속기 센터에 직접 방문해 측정을 진행했다"고 답했다.

박 교수 연구팀의 향후 연구 계획에 대해 들었다. 박 교수는 "이동도 향상 모색을 비롯한 초고이동도 IGZO 소재에 대한 후속 연구를 진행할 계획이다"며 "집적도 향상을 위한 연구, 수직 구조의 실제 3차원 구조 소자 적용, 3차원 집적 공정 개발 등을 계획하고 있다"고 밝혔다.

반도체 소재 연구에 힘쓰고 있는 두 사람에게 앞으로의 목표에 관해 물었다. 김 씨는 "대학원을 졸업한 후 해외에서 추가로 공부할 생각이다"며 "공부를 마치면 반도체 관련 연구소에서 실제 산업에 기여할 수 있는 새로운 소재나 공정 개발을 연구하면서 성장하고 싶다"고 말했다.

박 교수는 산화물 반도체 초창기 연구자로서 자기 분야를 한껏 살린 새로운 꿈을 꾸고 있다. 그는 "산화물 반도체와 ALD 분야 연구를 접목하고 싶다"며 "연구에서 더 나아가 실제 디스플레이와 반도체 양산에 이바지해 우리나라 산업에 도움이 되는 것이 목표다"고 전했다.