미래 디스플레이 및 반도체 집적화 소재로 기대

한양대학교 신소재공학부 박진성 교수 연구팀이 원자층 증착법을 통해 3차원 집적 공정이 가능한 ‘초고이동도 유사 단결정 산화물 반도체 소재’를 개발했다고, 한양대가 12일 밝혔다.

최근 반도체·디스플레이 산업에서는 작은 면적에 최대한 많은 소자를 집적하는 공정에 대한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 실리콘 반도체를 기반으로 한 2차원적인 집적은 한계에 도달했으며, 고 집적도에 따른 소비전력 증가 문제가 발생하고 있다. 이에 따라 누설전류가 낮으면서도 3차원적 집적이 가능한 차세대 반도체 소재 개발이 요구되고 있다.

현재는 초고해상도 디스플레이 구현 및 소비전력 감소를 위해 IGZO(비정질 산화물)와 LTPS(저온 다결정 실리콘)를 결합한 LTPO(저온 다결정 산화물) 기술이 적용되고 있다. 하지만 IGZO 반도체는 LPTS에 비하여 전자 이동도가 낮고 물리적 증착법을 사용하기 때문에 3차원 구조를 적용하기 어렵다는 단점이 있다.

박 교수 연구팀은 플라즈마 원자층 증착법 (PEALD)을 활용하여 ‘유사 단결정 구조의 IGZO 산화물 반도체 물질’을 단결정 성장 온도 (>1000oC) 대비 매우 낮은 온도 (200oC) 에서 성장시켰다.

이를 통해 제작된 산화물반도체(IGZO) 트랜지스터 소자는 세계 최고 수준의 전계 이동도 (> 100 cm2/Vs)를 가지면서도 열과 외부 전계에 대한 높은 소자 안정성을 보여주었다. 소비전력을 대폭 낮추면서도 초고해상도 구현이 가능한 것이다. 또한, 기존 물리적 증착법의 한계를 넘어 3차원 구조에서 90% 이상의 두께 및 조성 균일도를 확보하였다.

박 교수는 “본 연구를 통해 3차원 구조에 적용이 가능한 초고이동도의 반도체 소재 및 공정 기술을 확보하였다”며 “차세대 디스플레이뿐만 아니라 3차원 초고집적 반도체 분야의 실리콘을 대체할 원천 기술이 될 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부 산업기술혁신사업 및 삼성디스플레이의 지원을 받아 진행되었으며, 연구결과는 소재분야 세계적인 학술지인 「Small methods, (IF = 15.367)」에 6월 발표되었다.

해당 논문은 한양대 신소재공학과 김윤서 연구자 (박사과정)이 제 1저자, 삼성디스플레이 임준형 마스터가 공동교신저자로 참여했다.

박진성 교수팀이 개발한 ‘유사 단결정 IGZO 산화물 반도체‘의 구조/전기적 특성/3차원 균일도 이미지

박진성 교수

김윤서 연구자(박사과정)