세계 최초 초고이동도 질산화물 반도체 재료 개발
질산화 음이온 처리를 이용한 고성능 박막 트랜지스터 개발

신소재공학과 김현석, 김현유 교수와 김양수 석사과정 학생은 음이온 처리를 이용해 산화물 반도체의 다양한 결함을 치유하고, 이를 기반으로 높은 전자 이동도(≧100 cm2/Vs)를 가지는 질산화물 반도체를 개발했으며, 이번 논문이 재료분야 국제 상위 학술지인 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 2016년 4월 21일에 게재됐다.
(논문명 : A study on the electron transport properties of ZnON semiconductors with respect to the relative anion content)

이번 논문은 한국디스플레이연구조합(이사장 한상범)의 ‘미래 디스플레이 핵심 원천기술 개발(KDRC)' 사업의 ’초고이동도(≥120 cm2/Vs) 저온 박막 산화물계 트랜지스터 소재 및 공정 기술 개발(10051403)‘ 주제로 진행됐다.

기존 산화물반도체의 경우 인듐(Indium), 갈륨(Gallium)의 고가의 재료를 필요로 하며, 산소 결함(Oxygen vacancy) 등의 다양한 결함을 가지고 있어 이동도가 증가할수록 신뢰성이 떨어지는 치명적인 문제점을 갖고 있다.

그러나 이번 연구에 질소 치환 반응을 통한 스퍼터링 기법은 저가의 아연(Zinc) 금속 재료 만을 사용하여 가격이 저렴하며, 공정이 간단하고, 산소 결함을 근본적으로 제어하였기 때문에 우수한 전자 이동도와 신뢰성 특성을 발현 할 수 있으며, 디스플레이용 고성능 트랜지스터 제작에 적용될 수 있다.

동 질산화물 박막 트랜지스터는 100 cm2/Vs 이상의 높은 이동도 특성을 보여주어 고성능 박막 트랜지스터로써의 성능을 입증했다.

이번 성과는 기존에 사용하는 고가의 저온 폴리 실리콘 박막 트랜지스터 소자 기술을 대체할 수 있는 대안 기술 이라는 점에서 의의가 있다.

김현석 교수는 “본 질산화물 반도체 소재와 공정은 기존 디스플레이 양산 공정에 적용되는 스퍼터링 증착법이 사용되었기 때문에, 추가비용 없이 적용이 가능하여 산업적 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다”고 연구 의의를 밝혔다.