포스텍, 간단한 열 증착 공정으로 대면적 반도체 개발

왼쪽부터 휘휘주 박사, 노용영 교수, 아오 리우 박사. (자료제공: 포스텍)

포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 노용영 화학공학과 교수·아오 리우 박사팀이 간단한 열 증착 공정을 통해 황화비스무트(Bi₂S₃)로 고성능 N형 반도체와 텔루륨(Te) 고성능 P형 반도체를 만드는 데 성공했다고 지난달 14일 밝혔다.
현재 OLED 디스플레이 구동회로로 사용되는 저온 다결정 실리콘과 산화물 반도체가 결합한 LTPO 구동회로는 낮은 소비전력으로 인해 모바일 기기의 배터리 수명 연장에 강점이 있지만 제조공정이 복잡하고 제조비용이 많이 드는 단점이 있다.
연구팀은 그래핀과 비슷한 2차원 물질 ´전이금속칼코젠´을 활용했다. 칼코젠은 주기율표상 16족에 해당하는 원소 중 산소를 제외한 황, 셀레늄, 텔레늄을 의미하는데 여기에 전이금속을 더해 만든 화합물은 반도체와 도체 상태를 모두 가진다.
그중에서도 황화비스무트를 이용하되 기존에 알려졌던 용액공정이 아니라 물질을 고진공 상태에서 열에 의해서 승화시켜 발생한 증기를 기판에 부착시키는 열 증착 방식을 사용해 반도체 박막을 제작했다. 특히 간단한 열처리를 통해서 전하량을 조절, 도핑 없이도 반도체와 도체를 자유롭게 제조할 수 있는 공정은 이번 연구의 핵심이다.
연구팀은 이를 기반으로 고성능 N형 박막트랜지스터를 구현하는 한편 동일한 방식으로 텔루륨(Te) 고성능 P형 반도체를 만드는 데도 성공했다. 이 방식은 OLED 디스플레이 발광소자를 제조하는 표준방식으로 OLED 디스플레이 제조공정에 이 트랜지스터와 전자회로 제조를 추가하면 한 번의 공정으로 OLED 디스플레이를 제조할 수 있다. 비싼 가격이 단점으로 꼽히는 OLED 디스플레이 제조단가를 획기적으로 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다. 특히 새로운 장비를 마련할 필요 없이 기존에 사용하고 있는 OLED용 열 증착 장비를 활용할 수 있어 공정에 필요한 예산과 제조비용을 줄일 수 있다.
노용영 교수는 "이번에 사용한 황화비스무트/텔루륨는 간단한 열처리만으로도 전도체에서 반도체로 전이되는 아주 매력적인 소재”라며 "값비싼 MOCVD 등의 공정 대신 간단한 열증착 공정으로 웨이퍼 단위의 N형/P형 트랜지스터와 이를 결합한 상보형 인버터회로를 구현한 것”이라고 연구를 설명했다. 아울러 "향후 이 결과는 칼코젠 반도체 소자를 활용한 다양한 연구/상용화로 이어질 것으로 기대된다”며 "이 기술을 바탕으로 메모리소자, 뉴로모픽 디바이스로 연구를 확대하고 있다”고 계획을 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단과 삼성디스플레이 연구지원을 통해 수행됐다. 연구성과는 최근 국제학술지 ´네이처 커뮤니케이션´에 발표됐다.