'친환경' 주석 반도체, 10년 수명·최고 성능 동시 구현

반도체 업계의 오랜 난제였던 '고성능 P형 반도체' 상용화의 길이 열렸다. 국내 연구진이 독성 물질인 '납' 대신 친환경 '주석'을 사용하면서도, 최고 수준의 성능과 10년 이상의 수명을 동시에 확보한 초박막 반도체 기술을 개발했다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 한양대학교 박희준, 김경학 교수 공동 연구팀이 삼성전자 SAIT와 함께 이 같은 내용의 박막 트랜지스터(TFT) 구현에 성공했다고 21일 밝혔다. 연구 성과는 전기·전자공학 분야 최상위 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스’에 17일 온라인 게재됐다.

저전력 전자기기나 집적회로를 구현하려면 N형 반도체와 P형 반도체가 모두 필요하지만, 고성능 P형 소자 개발은 업계의 오랜 난제로 꼽혀왔다. 차세대 소재로 각광받는 페로브스카이트가 P형 소자에 활용 가능하지만, 대부분 '납(Pb)'을 함유하고 있어 전자기기 적용에 본질적 제약이 있었다.

대안으로 주목받은 '주석(Sn)' 기반 페로브스카이트는 친환경적이고 전하 수송에 장점이 있지만, 공기 중에서 쉽게 산화되고 박막 품질이 저하되는 고질적 한계가 있었다. 이로 인해 성능이 낮고 수명도 수일에 불과했다.

연구팀은 메틸암모늄클로라이드(MACl)를 이용해 페로브스카이트의 일부 양이온과 음이온을 치환하는 새로운 전략을 고안했다. 그 결과, 결함 밀도를 최소화하고 구조적 불안정을 극복해 산화와 박막 품질 저하 문제를 동시에 해결하는 데 성공했다.

이를 바탕으로 구현된 P형 박막 트랜지스터는 세계 최고 수준의 전기적 성능을 기록했다. 정공 이동도(전하 이동 속도)는 82.5 $cm²V^{-1}s^{-1}$에 달했으며, 온·오프 전류비는 3.0×109 , 임계 전압은 0 V를 달성했다.

특히 장기 안정성이 획기적으로 개선됐다. 가속 수명시험 결과, 상온에서 약 10년간 초기 성능의 70% 이상을 유지할 것으로 예측됐다. 이는 OLED 상용화에 활용되는 캡슐화 기술과 결합할 경우 산업 현장에 즉시 적용이 가능한 수준이다.

박희준 교수는 “주석 기반 페로브스카이트로 최고 수준의 전기적 성능과 장기 안정성을 동시에 달성한 첫 사례”라며 "친환경성과 고성능을 모두 갖춘 차세대 반도체 소재 상용화 가능성을 보여줬으며, 차세대 디스플레이, 광센서, 저전력 논리소자 등 다양한 분야로 확장이 기대된다”고 강조했다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원사업으로 수행됐다.