국내 연구진이 반도체 산업의 혁신을 이끌 p형 반도체 소재와 이를 활용한 박막 트랜지스터 개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 텔레늄(Te) 기반의 칼코지나이드계 p형 반도체 소재를 활용해 상온증착이 가능하고 공정이 단순한 p형 Se-Te(셀레늄-텔레늄) 합금 트랜지스터를 개발했다고 23일 밝혔다. 이는 차세대 디스플레이 및 초저전력 반도체 소자의 성능 개선에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

ETRI 연구진은 n형 산화물 반도체와 p형 Te의 이종접합 구조에서 Te 박막의 전하 주입을 제어해 n형 트랜지스터의 문턱전압을 체계적으로 조절하는 기술도 개발했다. 이를 통해 이동도가 개선되고, 기존 트랜지스터 대비 높은 온·오프라인 전류비 특성을 확보했다.

반도체는 도핑의 여부에 따라 진성반도체와 불순물 반도체로 구분된다. 불순물 반도체는 첨가된 불순물에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉘며, 현재 디스플레이 분야에서는 주로 n형 산화물 반도체인 인듐갈륨아연산화물(IGZO)이 사용되고 있다. 그러나 고해상도 디스플레이와 240Hz 이상의 주사율이 요구되는 최신 기술에는 p형 반도체의 필요성이 증가하고 있다.



ETRI 연구진은 Te에 Se을 첨가하여 채널층의 결정화 온도를 높여 상온에서 비정질 박막을 증착한 후 후속 열처리를 통해 이를 결정화한 p형 반도체를 개발했다. 그 결과, n형 산화물 반도체 박막 위에 Te 기반의 p형 반도체를 이종접합 구조로 도입했을 때 Te의 두께에 따라 n형 트랜지스터의 전자의 흐름을 제어하고 문턱전압을 조절할 수 있는 기술을 확보했다. 이는 패시베이션 층 없이도 n형 트랜지스터의 안정성을 개선할 수 있는 중요한 성과다.

이번 연구 성과는 고해상도와 저소비전력을 동시에 만족시키는 차세대 디스플레이 산업 발전에 속도를 더할 전망이다. 또한, 반도체 산업에서도 큰 활용도가 기대된다. 최근 반도체 집적도의 한계를 극복하기 위해 적층 방식이 활용되고 있으나, ETRI 연구진의 p형 반도체 소자는 300℃ 이하의 공정으로도 안정적으로 작동해 모놀리틱 3D(M3D) 방식의 상용화 가능성을 높였다.

ETRI 플렉시블전자소자연구실 조성행 책임연구원은 "OLED TV와 확장현실(XR) 기기 등 차세대 디스플레이 분야와 초저전력 상보형 금속산화 반도체(CMOS) 회로 및 DRAM 메모리 연구 등에 폭넓게 활용될 수 있는 중요한 성과다"라고 말했다. ETRI 연구진은 Te 기반의 p형 반도체를 6인치 이상의 대면적 기판에서 최적화하고, 다양한 회로에 적용해 상용화 가능성을 확보한 후 다양한 응용 분야에 적용할 계획이다.


이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 'M3D 산화물반도체 기반 초저소비전력 고대역 대용량 DRAM 개발'과제와 산업통상자원부 산업기술 챌린지트랙 '고해상도 대면적 디스플레이가 가능한 비실리콘 반도체 TFT와 이를 활용한 CMOS 제조 핵심 기술 개발'과제, ETRI 차세대주역신진연구사업 '초저전력 다진법 소자를 위한 고성능 반도체 트랜지스터 개발'과제로 수행됐다.