▲ 사진 왼쪽부터 전북대 배학열 교수, 서울시립대 김태완 교수, 전북대 유재욱 석박통합과정(사진=전북대)  © 특허뉴스

전북대학교 배학열 교수(전자공학부), 서울시립대 김태완 교수(첨단융합학부)로 이뤄진 공동 연구팀이 차세대 항공우주 분야 반도체의 손상 원인을 정밀하게 찾을 수 있는 분석법을 개발했다.

연구팀은 차세대 메모리에 적용되는 ‘IGZO’가 우주 환경에 존재하는 감마선에 노출되었을 때 발생하는 열화 메커니즘을 최초로 분석해 관련 분야 세계 최고 수준의 저널인 『Advanced Electronic Materials』저널 최신호(Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202300906)에 논문을 게재했다고 밝혔다.

IGZO는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)로 구성된 금속 산화물 소재로, 큰 면적을 차지하는 커패시터 없이 제작할 수 있어 소자의 집적도와 수율을 향상시킬 수 있고, 누설전류가 낮고 이동도가 상대적으로 높기 때문에 차세대 메모리소재로 주목을 받고 있다.

감마선은 방사성 붕괴에 생성된 원자핵으로 전자기파의 형태로 방출되는데, 이는 항공, 군사, 의료기기 및 우주분야에서 불가피하게 노출될 가능성 농후하다. 때문에 감마선에 노출되는 척박한 환경에서 차세대 메모리가 제 역할을 수행하기 위해서는 감마선 환경에서의 열화 메커니즘을 분석하는 일이 매우 중요하다.

이를 위해 연구팀은 특정 파장대역의 광원을 이용해 에너지 밴드갭 내 상태 밀도 함수 특성화방법을 개발했다. 산화물 반도체 경우 밴드갭 내 산소 공공이라는 결함을 가지고 있는데, 연구팀은 IGZO의 밴드갭보다 작은 광자에너지를 갖는 다양한 광원을 조사하여 결함의 양을 정량적으로 평가했다.

이 기술은 전류-전압(I-V) 측정분석을 이용했으며, 산화물 반도체뿐만 아니라 실리콘, 2D 채널, 그래핀 등 다양한 반도체 소재 및 미세 소자에 적용할 수 있는 장점이 있다.

또한 연구팀은 이 연구에서 소개된 광-전기적 비파괴 분석방법으로 반도체 밴드갭 내 전 영역의 상태 밀도 함수변화를 관찰했다. 

▲ 밴드갭내 상태 밀도 함수의 방사선 노출 전/후의 변화/ 전북대학교 배학열 교수와 서울시립대 김태완 교수로 이뤄진 공동 연구팀이 차세대 항공우주 분야 반도체의 손상 원인을 정밀하게 찾을 수 있는 분석법을 개발했다.(그림=전북대)  © 특허뉴스

방사선 노출 이후 밴드갭 내 특정 에너지 준위에 산소 공공 관련 결함의 증가가 관찰되었다. 이러한 현상은 반도체 소자의 문턱전압 및 스위칭 특성에 치명적인 불안정성을 유발한다. 뿐만 아니라, 구성원소, 조성비, 화학적 결합상태 등 물리화학적 정보를 분석할 수 있는 엑스선 광전자 분광법(XPS)을 통해 실험 결과를 검증했다.

차세대 메모리 소재로 주목받는 IGZO는 여러 분야에 적용이 가능하여 높은 수준의 소자 신뢰성이 요구되고 더 나아가 방사선 환경에 노출되어 동작할 가능성이 높기 때문에 이에 대한 분석이 중요한 만큼 이번 연구결과는 응용가치가 매우 클 것으로 기대된다.

배학열 교수는 “이번 연구를 통해 방사선으로 인한 항공우주용 반도체의 손상 원인을 규명할 수 있는 정밀한 분석법을 개발했다”라면서 “앞으로 높은 내방사선성을 갖는 반도체 소재 및 소자를 개발해 기술완성도를 높이겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 ‘기본연구’ 및 전북대학교 4단계 BK21 JIANT-IT 인력양성사업단의 지원을 받아 수행됐다.