한양대 정문석 교수팀, 고성능 P채널 반도체 소자 구현 가능성 열어 … 세계 최초 '비정질 텔루륨 삼산화물' 개발

한양대학교는 물리학과 정문석 교수 연구팀이 이화여대 김동욱 교수 연구팀과 함께 세계 최초로 '비정질 텔루륨 삼산화물(a-TeO₃)'을 개발했다고 28일 밝혔다.

이번 연구는 상압 상태에서 자외선 오존 처리(UV-O₃)를 활용한 새로운 상변화 공정을 통해 고성능 P-채널 트랜지스터 구현 가능성을 열었다는 점에서 주목을 받고 있다. P-채널 트랜지스터란 드레인, 게이트, 소스라 불리는 3개의 단자를 가지는 모스펫 트랜지스터 중 소스와 드레인이 될 영역을 양(positive)전하를 사용하는 P+ 반도체로 도핑한 트랜지스터를 말한다. 음(negative)전하를 이용한 경우 N-채널 트랜지스터라 부른다.

반도체 산업에서 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술은 저전력·고성능 전자기기의 핵심이다. 하지만 P-채널 트랜지스터의 성능 확보는 큰 난제로 여겨져 왔다. N-채널 트랜지스터 기술은 빠르게 발전했지만, P-채널 트랜지스터는 낮은 이동도와 불충분한 스위칭 특성으로 상용화에 어려움을 겪어 왔다. 특히 비정질 산화물 반도체 분야에서는 N-채널 소재가 전자 이동도 10㎠V⁻¹s⁻¹ 이상을 달성했으나, P-형 소재는 대부분 정공 이동도가 1㎠V⁻¹s⁻¹에 못 미쳐 실질적인 응용이 제한적이었다.

연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 일반적인 열처리 산화 공정이 아닌 상압 조건에서 자외선 오존(UV-O₃) 처리를 통해 2차원 텔루륨(2D-Te)을 비정질 텔루륨 삼산화물로 변환하는 획기적인 방법을 개발했다. 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)과 라만 분광법을 통해 결정질 2D-Te가 비정질 a-TeO₃로 완전히 상전이되는 과정을 관찰했으며, X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 Te⁶⁺ 산화 상태를 확인함으로써 비정질 텔루륨 삼산화물 형성을 증명했다.

그 결과 a-TeO₃ 기반 트랜지스터는 금속-반도체 접합부에서 극히 낮은 쇼트키 장벽 높이(10meV)를 기록했다. 이는 우수한 접촉 저항(626.81Ω·㎛)으로 이어졌다. 또한 높은 정공 이동도(238.6㎠V⁻¹s⁻¹)와 우수한 온·오프 비율(0.81×10⁵)을 동시에 달성해 기존 P-채널 트랜지스터의 한계를 뛰어넘었다. 이런 성능은 단순한 SiO₂ 유전체 층(90㎚)을 사용한 조건에서도 구현된 것으로, 앞으로 고유전율 게이트 절연체나 포논 산란 저감 기술을 적용할 경우 더욱 높은 성능이 기대된다.

비정질 상태임에도 높은 정공 이동도를 구현한 이번 소재는 비정질 산화물 반도체의 성능 한계를 재정의한 사례로 평가된다. 연구팀은 100K(캘빈, 절대온도로 0K는 -273.15℃)부터 370K까지 다양한 온도와 전기장 조건에서 전기적 특성을 정밀 분석해 해당 소재가 실제 응용 환경에서도 우수한 안정성과 신뢰성을 보인다는 점을 입증했다.

정 교수는 "이번 연구 결과는 새로운 P-채널 반도체 소재를 개발한 것을 넘어 상 공학을 활용한 고성능 반도체 개발의 새 가능성을 제시했다는 점에서 의의가 있다"며 "앞으로 저전력·고성능 CMOS 회로 구현에 중요한 기여를 할 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야의 권위 있는 국제학술지 '첨단 소재(Advanced Materials)'에 지난 16일 온라인 게재됐다. 한양대 물리학과 방승호 박사와 이채원 박사과정생이 공동 제1저자, 정 교수와 김 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 혁신연구센터사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.