Research

[p형 반도체 '10대 미래 난제' 풀고 세계 최고 성능·안정성 구현]

[현지 기준 지난 7월 1일, 페로브스카이트 트랜지스터 분야 최초 학술지 ‘Nature’ 게재]

사람에게는 공기는 절대 없어서는 안 될 존재지만, 어떤 반도체에게는 치명적인 독이다. 공기와 맞닿는 순간 표면에 있던 이온이 산화되며 결함이 생겨 망가지기 때문이다. 그런데 POSTECH 노용영 교수 연구팀이 이 골칫거리를 해결하고, 성능·안정성을 끌어올린 차세대 반도체를 ‘네이처(Nature)’에 발표했다.

 POSTECH 화학공학과 노용영 교수 연구팀(박건웅·노유진 박사, 통합과정 이동현) 주도로 성균관대 박지상 교수 연구팀, 중국 전자과학기술대(UESTC) 아오 리우(Ao Liu) 교수 및 휘휘 주(Huihui Zhu) 교수 연구팀이 수행한 이번 연구는 현지 시각 기준으로 지난 1일 오후 4시에 게재됐다. 페로브스카이트(perovskite) 트랜지스터 연구 분야에서 ‘Nature’에 발표된 첫 연구라는 점에서 큰 의미가 있다.

 스마트폰 속에는 수많은 트랜지스터가 있다. ‘트랜지스터’는 전기 신호를 켜고 끄는 작은 스위치로, 전자를 나르는 'n형'과 정공(전자가 빠져나가 생긴 자리)을 나르는 'p형'으로 나뉜다. 두 종류의 트랜지스터가 균형을 이뤄야 고성능·저전력 반도체를 만들 수 있는데, p형 트랜지스터 성능을 끌어올리기가 유독 까다로워 과학기술정보통신부 선정 '반도체 분야 10대 미래 난제'로 꼽히기도 했다. 

 주석 기반 페로브스카이트는 바로 이 난제를 풀 유력한 후보로 주목받아 왔다. 정공이 매끄럽게 흐르는 데다, 현재 메모리 반도체, 고성능 디스플레이를 구동하는 저온 다결정 실리콘(LTPS)¹⁾ 나 산화물 반도체에 맞먹는 성능을 낼 수 있다. 문제는 공기에 너무 약하다는 점이다. 표면에 남아 있던 미반응 주석 이온(Sn2+)이 공기와 만나 산화되면서, 전하 흐름을 막는 결함이 잔뜩 생겨났고, 그로 인해 반도체 성능이 순식간에 무너졌다.

 연구팀의 해법은 '휘발성 표면 재구축(Volatile Surface Reconstruction)'이라는 전략이다. 세슘-주석-아이오딘(CsSnI₃) 반도체 표면에 칼륨 아세테이트(KAc)라는 물질을 처리하자, 성능 저하의 원인이었던 미반응 주석 이온이 휘발성 화합물인 주석 아세테이트(Sn(Ac)₂)로 바뀌어 공기 중으로 깔끔히 날아가 버렸다. 게다가, 주석 이온이 빠져나간 자리에 칼륨 아이오다이드(KI)가 자연스럽게 생성되며, 외부 환경으로부터 반도체를 지키는 '자가방어층(self-protective layer)'이 형성되었다. 골칫거리는 증발시켜 없애고 빈자리는 보호막으로 메운, 일석이조 묘수였다.

 그 결과, 소자를 켜는 데 필요한 문턱전압(threshold voltage)이 낮아졌고, 정공 이동도²⁾는 50cm²/V·s를 넘어섰으며, 전류를 켜고 끌 때의 차이를 보여주는 전류 점멸비³⁾는 1억(10⁸) 이상을 기록하는 등 세계 최고 수준의 p형 페로브스카이트 트랜지스터 성능을 달성했다. 주목할 부분은 공기 안정성이다. 기존 소자가 공기 중에서 몇 분 만에 무너졌다면, 새 소자는 4시간 넘게 거뜬히 버텼다. 100℃의 가속 열화 조건에서도 한 달 이상 초기 성능을 유지했다. 

 연구팀이 확보한 높은 환경·열 안정성은 소자를 여러 층으로 쌓고 넓은 면적에 만드는 공정의 기반 기술이 될 전망이다. 노용영 교수는 “불가능하다고 여겨졌던 주제를 믿고, 지난 6년간 꾸준히 지원해 준 삼성디스플레이와 과학기술정보통신부 덕분에 관련 분야에서 세계 최초로 Nature에 보고하는 성과를 낼 수 있었다”라고 전했다. 이어, “향후 Al 연산용 수직 적층형 DRAM 메모리 소자, 차세대 디스플레이 구동 회로를 비롯해 웨어러블 기기, 고집적 반도체 소자 등 폭넓은 미래 전자산업 분야 핵심 기술로 쓰일 것”이라고 덧붙였다. 

 한편, 이번 연구는 한국연구재단 지원하는 리더연구사업, 중견연구자사업, 삼성디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10714-1

1) 저온 다결정 실리콘(LTPS, Low-Temperature Polycrystalline Silicon): 고성능 디스플레이를 구동하는 데 널리 쓰이는 실리콘 박막 기술이다. 전하가 빠르게 이동해 화면을 정밀하고 빠르게 켤 수 있어, 현재 고성능 디스플레이의 대표 기술로 꼽힌다.

2) 정공 이동도(hole mobility): 반도체 안에서 정공(전자가 빠져나가 생긴 양(+)의 빈자리)이 얼마나 빠르게 움직이는지를 나타내는 값이다. 값이 클수록 전류가 잘 흘러 트랜지스터의 성능이 좋아진다.

3) 전류 점멸비(on/off ratio): 트랜지스터를 켰을 때 흐르는 전류와 껐을 때 흐르는 전류 비율이다. 값이 클수록 켜짐과 꺼짐이 또렷하게 구분돼 신호를 깔끔하게 처리하고 전력 낭비를 줄일 수 있다.