‘삼성미래기술육성사업’이 지원하는 국내 대학 연구팀의 차세대 반도체 소재 연구가 성과를 인정받아 국제학술지에 게재됐다.

□ 반도체에서 발생하는 발열 문제 해결에 적용할 수 있는 기술

포스텍 신소재공학과 손준우 교수, 최시영 교수 연구팀은 반도체 미세화에 따라 점차 중요성이 커지고 있는 열 문제 해결을 위한 차세대 소재 기술을 개발했다.

연구팀은 2017년 7월 삼성미래기술육성사업 연구과제로 선정돼 3년간 지원을 받았다.

또, 이 연구는 한국연구재단 기초연구실의 지원도 받았다.

연구 결과는 고집적 반도체용으로 사용할 수 있는 새로운 소재를 개발한 성과로 인정받아 최근(8월 18일 영국 현지시간) 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재됐다.
– 논문 제목(영문) : Heterogeneous integration of single-crystalline rutile nanomembranes with steep phase transition on silicon substrates)
– 논문 제목(한글) : 급격한 상전이 특성이 있는 단결정 루틸 구조의 실리콘 상 이종 접합)

<논문 링크>

반도체 분야의 기술 혁신은 미세화를 통한 트랜지스터 회로의 집적도를 높이는 방향으로 진행돼 왔다.

반도체는 집적도가 커질수록 소비하는 전력은 줄어들고 동작 속도는 빨라지나, 반도체 소자가 동작하면서 발생하는 열에 의한 오작동 등 새로운 문제가 발생할 가능성이 커지고 있다.

문제 해결 방법은 트랜지스터의 구동 전압을 낮추고, 기존의 실리콘을 대체하는 신규 소재를 개발하거나 실리콘과 신규 소재를 접합하는 것으로, 학계와 업계는 이 문제 해결에 많은 노력을 기울여 왔다.

대표적인 신규 소재로는 특정한 전압에 다다르면 물질의 상(相∙Phase)이 절연체에서 금속으로 빠르게 바뀌는 상전이(相轉移) 산화물 반도체가 주목 받고 있다.

연구팀은 상전이 산화물 반도체의 일종인 단결정 산화바나듐(금속 바나듐과 산소가 결합해서 만들어진 화합물)이 기존 실리콘 대비 전류를 흘릴 때 필요한 전압이 낮아 발열이 덜 되는 성질에 주목해, 단결정 산화바나듐을 실리콘 웨이퍼 위에 적층할 수 있는 기술을 개발했다.

하지만 단결정 산화바나듐은 실리콘과 결정 구조가 달라 웨이퍼에 직접 적층 성장할 경우 전기적인 결함이 발생할 수 있었다.

이에 연구팀은 실리콘 웨이퍼 위에 결정 구조가 같은 산화티타늄을 우선 적층한 후, 그 위에서 산화바나듐을 단결정 상태로 성장시키는데 성공했다.

연구팀은 이번에 개발한 소재를 실제 반도체 소자 제작에 활용하기 위해 산화물 반도체와 전극 사이의 저항 감소, 소자 크기에 따른 전기적 특성 제어 등 관련 기술에 대해 연구하고 있다.

손준우 교수는 “이번 연구를 통해 차세대 소재로 주목받고 있는 단결정 상전이 산화물의 우수한 특성을 기존 실리콘 반도체 소재에 적용할 수 있게 됐다”며 “초저전력 초고밀도 메모리 등 기존 한계를 극복할 수 있는 차세대 반도체 소자 개발을 위해 노력하겠다”고 말했다.

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