반도체 미세화 따른 발열 문제 해결 가능한 대체소재 기술 개발 삼성미래기술육성사업이 지원하는 국내 대학 연구팀의 차세대 반도체 소재 연구가 성과를 인정받아 국제학술지에 게재됐다.
25일 삼성에 따르면 포스텍 신소재공학과 손준우·최시영 교수 연구팀의 차세대 반도체 소재기술 연구성과가 최근(8월 18일 영국 현지시간) 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.
연구팀은 지난 2017년 7월 삼성미래기술육성사업 연구과제로 선정돼 3년간 지원을 받았는데 이번에 반도체 미세화에 따라 중요성이 커지고 있는 발열 문제 해결을 위한 차세대 소재 기술을 개발하는 성과를 거뒀다.
학술지에 게재된 논문 제목은 '급격한 상전이 특성이 있는 단결정 루틸 구조의 실리콘 상 이종 접합'(Heterogeneous integration of single-crystalline rutile nanomembranes with steep phase transition on silicon substrates)이다.
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.
연구팀은 이에 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.
손 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.
'삼성미래기술육성사업'은 우리나라의 미래를 책임질 과학기술 육성·지원을 목표로 삼성전자가 2013년부터 1조5000억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다. 특히 연구자들이 도전적인 연구를 할 수 있도록 목표를 달성하지 못하더라도 책임을 묻지 않고, 실패 원인을 지식 자산으로 활용하도록 하고 있다.
KPI뉴스 / 박일경 기자 ek.park@kpinews.kr
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