창간 36주년 기념 Special 세라믹스 현황과 미래 전망(2)

산화물 반도체 기반 지능형 반도체 동향

이제준_한국과학기술연구원 위촉연구원 

황도경_한국과학기술연구원 책임연구원

1. 서 론

반도체 산업은 ChatGPT와 같은 인공지능(AI) 기술의 부상으로 인해 급격한 변화를 겪고 있으며, 이전의 역사를 살펴보면, 기술 변화에 적응하지 못한 기업들은 쇠퇴의 길을 걷게 된다. 예를 들어, 한때 이동식 음악 재생기와 TV 기술의 강자였던 일본의 S사의 경우 인터넷 시대에 적응하지 못해 시장에서 뒤처졌고, 아날로그 핸드폰 시장을 장악했던 유럽의 N사 역시 스마트폰의 등장으로 급속히 몰락했다. 

  앞으로 데이터 센터, 로봇, 자동차 등 다양한 분야에서 AI 기능이 필수적으로 탑재될 가능성이 높은 이 시대에, 이전의 역사를 반면교사 삼아 볼 때 지금이 바로 AI 기반 기술을 확보하는 것이 필수적인 시점이라 할 수 있다. 현재 AI 구현은 막대한 연산량을 필요로 하고 있음에도 불구하고 기존 컴퓨팅 시스템의 비효율적인 연산 체계로 인해 엄청난 에너지 손실을 초래하고 있다. 따라서 이대로라면, AI는 미래 환경 파괴의 가장 큰 원인 중 하나가 될 가능성이 높을 것이다. 예를 들어, 그래픽 처리 장치(GPU)를 AI 계산에 활용하는 전략으로 성장한 NVIDIA는 시가총액 3조 달러에 달하는 대기업으로 도약했는데, 이들이 제작한 칩을 통한 전 세계 데이터 센터의 전력 사용량은 네덜란드, 아르헨티나, 스웨덴의 연간 전력 소비량에 맞먹는다. 

  이러한 문제를 해결하기 위해, 구글의 TPU(Tensor Processor Unit)나 엔비디아의 NPU(Neural Processing Unit)와 같은 AI 알고리즘 계산에 특화된 저전력 신경망 처리 장치가 개발되고 있다. 본 고는 AI 기술 발전에 이바지할 다양한 종류의 반도체 물질 중, 산화물 반도체 기반 소자 동향과 지능형 반도체로서의 연구 동향을 소개하고자 한다.

2. 산화물 반도체

2-1. 산화물 반도체 물질 특성 비교

현대 사회에서 반도체 기술은 디지털 기기의 핵심 요소로, 다양한 응용 분야에서 필수적인 역할을 하고 있다. 전통적으로 실리콘(Si)은 반도체 산업의 주요 소재로 사용되어 왔다. 그러나 2003년, 미국 오레곤 주립대학의 Wager 교수 연구팀이 결정질 ZnO 활성층을 이용한 TFT 구현에 성공하고[1], 이어 2004년 일본 동경공업대학의 호소노 교수 연구팀이 4원계 비정질 산화물인 InGaZnO 활성층을 사용한 박막트랜지스터(thin film transistor, TFT)를 구현하면서[2] 산화물 반도체 TFT에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다. 최근에는 다양한 분야에서 산화물 반도체가 실리콘의 한계를 보완할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.

  비정질 실리콘은 전통적으로 태양광 패널과 디스플레이 기술에서 널리 사용되는 물질로, 낮은 전자 이동도 때문에 고속 스위칭 및 고성능 응용에는 부적합하지만, 상대적으로 저온의 열처리로 제조가 가능하여 비용이 저렴하다는 장점이 있다[3]. 반면 다결정 실리콘은 높은 전자 이동도를 가지고 있어 고성능 응용에는 적합하지만 제조 공정이 복잡하고, 높은 전자이동도를 위해서는 고온(600°C 이상)이 필요하기에 제조 비용이 높은 편이다[4,5]. 이와 비교할 때 산화물은 다결정 실리콘에 근접한 전자 이동도를 보이며, 저온(200°C 이하) 공정이 가능할 뿐만 아니라 유연한 기판에 적용하기에도 용이하다. 또한 가시광선 영역보다 넓은 에너지 밴드갭(>3.3 eV)을 가지고 있어 가시광선에 대해서 투명하기에 광전자로 응용하기에도 적합한 장점을 가지고 있다[6-8](표1).

2-2. 산화물 반도체 제조 현황 및 동작 메커니즘

산화물 반도체는 크게 2원계, 3원계, 및 4원계로 분류할 수 있다. 2원계 산화물 반도체의 대표적인 예로는 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO₂), 인듐 산화물(In₂O₃) 등이 있다. 초기 연구에서는 이러한 산화물들, 특히 다결정상 ZnO에 대한 연구가 주로 이루어졌다. 최근에는 비정질 산화물이 낮은 공정 온도와 우수한 박막 균일성 등의 장점으로 인해 3원계 및 4원계 비정질 산화물 반도체에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어, 갈륨(Ga)이나 중금속 산화물을 혼합한 ZnO 기반의 3원계 산화물(ZIO, IGO, ZTO) 및 4원계 산화물인 인듐 갈륨 아연 산화물(InGaZnO, IGZO)에 대한 연구가 집중적으로 이루어지고 있다. InGaZnO (IGZO)을 비롯한 박막 트랜지스터(TFT) 채널층의 제조를 위서는 일반적으로 넓은 표면에 균일하게 저비용으로 증착 할수 있는 스퍼터링 방법이 가장 널리 사용되고 있다. 이는. 또한, 펄스 레이저 증착(PLD), 원자층 증착(ALD), 플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD) 등도 IGZO 기반 TFT 제조에 사용된다. ALD로 성장된 IGZO 박막은 원자 수준의 표면 거칠기를 보여주는 강점이 있으며, PECVD 방법은 반응 종의 농도를 잘 제어하여 박막 증착 속도를 조절할 수 있는 장점이 있다. 이 외에도 스핀 코팅, 잉크젯 프린팅, 그라비어 프린팅 등 용액 기반 방법들도 사용된다. 

  산화물 반도체는 공유 결합 반도체와는 다른 독특한 전하 전달 메커니즘을 가지고 있다. 실리콘은 sp3 혼성 궤도를 통해 네 개의 공유 결합을 형성하여 규칙적인 격자 구조를 이루며, 이 구조에서는 전자가 쉽게 이동할 수 있어 전하 이동도가 최대 1000cm²/(V·s)에 달할 수 있다. 그러나 이 규칙적인 배열이 깨지거나 비정질 상태로 변하면, 전자가 이동할 경로가 불규칙하고 복잡해지면서 이동도가 한 자릿수까지 크게 떨어진다. 반면에, 산화물 반도체는 금속 원자와 산소 원자의 결합으로 이루어지며, 이러한 결합은 전자가 금속 원자 주변에 구형 대칭으로 분포할 수 있는 ns 궤도를 제공하여 넓고 자유로운 이동 경로를 형성한다. 이로 인해 산화물 반도체는 비정질 상태에서도 높은 전하 이동도를 유지할 수 있다(그림 1).

그림 1. 산화물 반도체의 결합 특성[9]

그림 2. 신경망 네트워크 연산 과정 및 이를 위한 하드웨어 뉴로모픽

본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.