국내 연구진이 스마트폰이나 TV 화면을 작동시키는 박막트랜지스터 반도체 소자로 쓰이는 산화물 반도체의 결함을 줄일 수 있는 방법을 발견했다. 울산과학기술원(UNIST) 반도체소재·부품대학원 연구팀은 산화물 반도체의 성능을 좌우하는 산소 빈자리 결함의 성질을 결정하는 것은 반도체 물질 전체의 원자들이 얼마나 촘촘하게 있는지가 아니라 결함 주변 금속 원자 사이 거리라는 것을 이론 계산으로 증명했다고 19일 밝혔다. 이번 연구 결과는 미국 화학회에서 발행하는 화학 분야 국제 학술지 ‘재료 화학’에 실렸다. 산화물 반도체(IGZO)는 인듐, 갈륨, 아연, 산소로 이뤄진 물질로 낮은 온도에서 박막으로 만들기 쉽기 때문에 스마트폰, TV 화면을 작동하는 박막트랜지스터 반도체 소자 재료로 널리 사용된다. IGZO를 박막으로 만드는 과정에서 산소가 들어가는 자리가 듬성듬성 비는 결함이 생기는데 이 결함이 전류 흐름과 작동 전압을 바꿔 소자 성능을 불안정하게 만든다. 산소가 빠진 자리에 남은 두 개의 전자가 빈자리 주변에 갇히는지 전체로 퍼지느냐에 따라 소자의 작동 전압과 성능이 달라진다. 연구팀은 원자와 전자 상태를 계산하는 밀도범함수이론, 구성좌표 분석, 원자들의 움직임을 시간에 따라 재현하는 제일원리 분자동역학 시뮬레이션을 했다. 그 결과, 전자가 빈자리 주변에 갇히거나 박막 전체로 퍼지는 상태는 산소 빈자리 주변 원자 배열에 따라 달라진다는 점을 밝혀냈다. 특정 금속 원자 사이가 가까워지면 전자가 빈자리 주변에 갇히고 멀어지면 박막 전체로 퍼진다는 것이다. 이 차이는 산소 빈자리에 남은 전자가 머무는 에너지 위치인 결함 준위가 낮고 깊을수록 전자는 빈자리에 강하게 붙잡혀 빠져나오기 힘들어진다. 이번 연구를 통해 기존에 서로 맞지 않아 보였던 열처리와 압축이 산소 빈자리의 성질에 미치는 영향도 설명할 수 있게 됐다. 열처리는 산화물 반도체의 원자 배열과 전기적 특성을 조절하기 위해 쓰이는 공정이다. 기존에는 열처리하면 박막 내부의 빈 공간이 줄고 전체 원자 밀도가 높아져 산소 빈자리 주변에 갇힌 전자가 박막 전체로 퍼진다고 봤지만 박막을 압축하면 마찬가지로 밀도가 높아져도 전자가 오히려 산소 빈자리 주변에 갇히는 현상이 보고돼 왔다. 이 연구를 이끈 정창욱 교수는 “이번 연구로 산소 빈자리 결함은 산화물 반도체에서 피하기 어려운 결함이지만 결함의 전기적 역할을 공정 조건으로 조절할 수 있음을 입증했다”며 “열처리 조건이나 박막에 걸리는 응력을 설계하면 문턱전압, 전류가 켜지고 꺼지는 특성, 신뢰성을 함께 제어하는 데 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.