전북대학교 전자공학부 배학열 교수 연구팀이 홍익대학교 이기영 교수 연구팀, 미국 미네소타대학교(University of Minnesota) Bharat Jalan 교수 및 Gang Qiu 교수 연구팀과 공동으로 초광대역갭(Ultra-Wide Bandgap·UWBG) 페로브스카이트 산화물 기반의 고내구성 반도체 소자를 개발했다.
이번 연구 성과는 반도체 및 재료과학, 나노기술 분야 최상위권 국제학술지인 『Advanced Functional Materials』(IF 19.9, JCR 상위 4.2%) 최신호에 ‘Discovery of Energy-Localized Trap States via Opto-Electrical Spectroscopy in UWBG Perovskite La:SrSnO3 FETs’제목으로 게재되며 높은 학술적 가치와 응용 가능성을 인정받았다.
연구팀이 주목한 스트론튬 주석 산화물(SrSnO3)은 주석(Sn) 기반 페로브스카이트 산화물로, 약 4.3eV의 초광대역갭을 지녀 차세대 트랜지스터 소재로 주목받아 왔다. 넓은 밴드갭 특성상 높은 전계와 극한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있을 것으로 기대되지만, 페로브스카이트 고유의 ABO3 결정 구조가 지닌 유연성으로 격자 왜곡과 이온성 결함이 쉽게 발생한다는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 SrSnO3 내 스트론튬(Sr) 자리를 란타넘(La)으로 치환하는 도핑 방식을 적용, n형 전자 농도를 정밀하게 조절하고 전계효과 트랜지스터(FET)의 안정적 구동을 구현했다.
특히 연구진은 La 치환 과정에서 함께 형성되는 산소 공공(oxygen vacancy)이 특정 파장의 빛에 선택적으로 반응한다는 점에 주목했다. 이를 바탕으로 산소 공공이 SrSnO3 밴드갭 내부의 특정 에너지 영역에 형성되는 결함 준위와 밀접하게 연관돼 있음을 규명했다.
이는 초광대역갭 페로브스카이트 산화물에서 소자 성능과 장기 신뢰성을 좌우하는 결함의 기원을 전기적·비파괴적 분석 기법으로 소자 수준에서 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다.
연구팀이 제작한 트랜지스터는 1011 이상의 높은 전류 점멸비(On/Off current ratio)를 기록하며, 페로브스카이트 기반 트랜지스터 가운데 세계 최고 수준의 성능을 보였다.
그동안 페로브스카이트 소재 연구는 태양전지와 광전자 분야를 중심으로 활발히 이뤄져 왔다. 이번 연구는 페로브스카이트의 활용 범위를 고신뢰성 초광대역갭 반도체로 확장할 수 있는 가능성을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 우주환경과 같은 극한환경용 반도체를 비롯해 차세대 고집적 반도체, 전력반도체 등 다양한 분야로의 활용 확대가 기대된다.
배학열 교수는 “이번 연구는 차세대 초광대역갭 소재를 활용해 고성능 반도체 소자를 구현한 데 더해 소자의 장기 신뢰성을 좌우하는 결함의 원인까지 규명했다는 점에서 의미가 크다”며 “우주·항공·국방 및 극한환경 전자시스템에 활용 가능한 와이드 밴드갭 산화물 반도체 기술개발로 이어질 수 있도록 노력하고, 반도체 소자와 공정 분야의 전문인력 양성에도 집중하겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노소재기술개발사업(소재글로벌 영커넥트), 과학기술정보통신부·정보통신기획평가원(IITP)의 AI 최고급신진연구자지원사업, 우수신진연구자사업, BK21 JIANT-IT 인력양성사업단 등의 지원을 받아 수행됐다.
