한양대 정재경 교수팀, 반도체 결정 방향 맞춰 전자 속도 '6배' 올렸다
3D D램·차세대 디스플레이 한계 극복할 핵심 소재 원리 규명
전극 유도 기법으로 전자 방해물 줄여… 고온 동작 안정성도 확보
[파이낸셜뉴스] 한양대학교 연구진이 반도체의 결정 방향을 한쪽으로 맞춰 전자의 이동 속도를 기존보다 6배나 높이는 핵심 원리를 밝혀냈다. 미세화 한계에 다다른 3D 메모리와 차세대 디스플레이의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 길이 열린 셈이다.
한양대는 융합전자공학부 정재경 교수팀이 산화물 반도체의 결정 방향을 일렬로 정렬해 전자 이동도를 기존 대비 약 6배 향상시키고, 고온에서도 안정적으로 작동하는 기술을 규명했다고 10일 밝혔다.
현재 반도체 업계는 기존 D램의 미세화 공정이 물리적 한계에 도달함에 따라, 메모리를 수직으로 쌓아 올리는 '3D D램' 연구에 집중하고 있다. 디스플레이 분야 역시 화소를 움직이는 회로 전체를 산화물 반도체로 대체하려는 연구가 한창이다. 하지만 이러한 차세대 제품을 구현하려면 전류가 잘 흐르면서도 전력이 새지 않는 고성능 반도체 소재가 필수적이었다.
연구팀은 인듐갈륨산화물(IGO) 반도체를 만들 때 전극을 출발점 삼아 결정을 한쪽 방향으로 자라게 하는 '전극 유도 측면 결정화' 기술을 적용했다. 그 결과, 결정 방향이 정렬된 반도체 소자는 방향이 무작위인 기존 소자보다 전자의 이동 속도가 약 6배 빨라졌다.
이는 반도체 내부에서 전자의 흐름을 막던 에너지 장벽과 결함을 대폭 줄여 전자가 마치 막힘없는 고속도로를 달리듯 원활하게 움직이도록 만든 결과다. 또한, 고온 환경에서 높은 전압을 지속적으로 가하는 가혹한 조건에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하는 신뢰성까지 입증했다.
이번 연구는 단순한 반도체 소재 변경을 넘어, '결정의 방향 정렬'이 반도체의 성능과 수명을 동시에 결정짓는 열쇠임을 입증했다는 점에서 의미가 크다.
정재경 한양대 교수는 "이번 연구는 단순한 결정화를 넘어 결정 방향의 정렬이 산화물 반도체의 성능과 신뢰성을 동시에 향상시키는 핵심 요인임을 밝혔다는 데 의의가 있다"며, "디스플레이용 소재뿐 아니라 3D D램 등 차세대 메모리에 필요한 고성능·고신뢰성 채널 소재를 개발하는 데에도 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원과 삼성전자, 삼성디스플레이의 지원을 받아 수행됐으며, 국제 학술지 '스몰(Small)'에 게재됐다. 이번 연구에는 김부연 박사과정생이 제1저자로, 정 교수가 교신저자로 참여했다.
[email protected] 김만기 기자
