포스텍 손준우·최시영 교수팀, 반도체 미세화에 따른 발열문제 연구
네이처 커뮤니케이션스에 게재…삼성미래기술육성사업 3년간 지원
[데일리임팩트 변윤재 기자] 삼성전자가 지원하는 삼성미래기술육성사업에 선정된 국내 대학 연구팀의 차세대 반도체 소재 연구가 국제학술지에 게재됐다. 해당 연구팀은 2017년 7월 삼성미래기술육성사업 연구과제로 선정돼 3년간 지원을 받았다.
삼성미래기술육성사업은 과학 기술 육성을 목표로 지난 2013년부터 1조5000억원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익사업이다. 지금까지 682개 과제에 8865억원을 지원했다. 국제학술지에 총 2130건의 논문이 게재됐으며, 이 중 네이처(7건), 사이언스(7건), 셀(1건) 등 최상위 국제 학술지에 소개된 논문도 189건에 달한다.
포스텍 신소재공학과 손준우·최시영 교수 연구팀은 반도체 미세화에 따라 점차 중요성이 커지고 있는 열 문제 해결을 위한 차세대 소재 기술을 개발했다. 이 연구는 고집적 반도체용으로 사용할 수 있는 새로운 소재를 개발한 성과를 인정 받아 지난 18일(영국 현지시간) 네이처 커뮤니케이션스에 게재됐다.
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.
반도체는 집적도가 커질수록 소비 전력은 줄어들고 동작 속도는 빨라지지만, 반도체 소자가 동작하면서 발생하는 열에 의한 오작동 등 문제가 발생할 가능성이 커진다. 이에 학계와 관련업계에서는 트랜지스터의 구동 전압을 낮추는 한편, 기존 실리콘을 대체하는 신규 소재를 개발하거나 실리콘과 신규 소재를 접합하는 등 문제 해결에 노력을 기울여 왔다.
다만 기존 실리콘 대체재로 개발된 상전이 산화물 반도체의 경우, 특정한 전압에 다다르면 물질의 상이 절연체에서 금속으로 빠르게 바뀌기 때문에 열 문제는 해결할 수 있지만, 실리콘과 결정 구조가 달라 웨이퍼에 직접 올리면 전기적 결함이 발생할 수 있었다.
연구팀은 실리콘 웨이퍼 위에 결정 구조가 같은 산화티타늄을 우선 적층한 후, 그 위에서 산화바나듐을 단결정 상태로 올리는 방식으로 문제를 해결했다.
현재 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.