포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 노용영 화학공학과 교수·아오리우 박사·휘휘주 박사 연구팀이 세 가지 페로브스카이트 양이온 공정을 통해 세계 최고 성능의 페로브스카이트 트랜지스터를 개발했다고 22일 밝혔다.
N형 반도체는 전자의 이동으로 전류 흐름을 만들고, P형 반도체는 정공을 통해 전류가 흐르게 된다. 이 두 반도체를 통해 전자 회로를 구성하므로 고성능 N형 및 P형 트랜지스터가 모두 필요하다. 그러나 반도체 소재 대부분 정공에 비해 전자 이동도가 우수해 P형 반도체 개발이 난제로 남아 있다.
할로겐화물 기반 페로브스카이트는 높은 정공 이동도를 가진 반도체 재료로 차세대 고성능 P형 반도체 소재로 주목받고 있다. ABX3의 화학식으로 표현되는 페로브스카이트는 두 종류의 양이온(A, B)과 하나의 음이온(X)으로 구성된다. 연구팀은 여러 화합물을 조합해 높은 성능을 지닌 P형 페로브스카이트 반도체 소재를 개발하고 있으며, 지난해 세슘-주석-요오드(Cs-Sn-I)의 조합으로 당시 최고 성능을 가진 트랜지스터를 개발했다. 관련 연구는 '네이처 일렉트로닉스' 학술지에 소개되기도 했다.
이번 연구에서는 페로브스카이트(ABX3) 양이온 A의 자리에 각각 포르마미디늄(FA)과 세슘(Cs), 페닐에틸암모늄(PEA) 세 가지 양이온이 결합된 혼합물을 사용했다. 포르마미디늄과 세슘, 페닐에틸암모늄이 개별적으로 연구에 사용된 적은 있지만 세 가지 양이온을 모두 사용한 연구는 이번이 처음이다. 그 결과, 연구팀은 결함을 줄인 고품질의 P형 페로브스카이트 반도체층을 개발에 성공했다.
그리고, 이를 기반으로 높은 정공 이동도(70 cm2V-1s-1)와 전류점멸비(108)를 지닌 트랜지스터를 구현했다. 이를 통해 보다 빠른 속도의 컴퓨팅이 낮은 전력 소비를 통해 가능하게 된다. 이번 결과는 현재까지 보고된 P형 페로브스카이트 트랜지스터 중 최고 수준이다. 현재 유기발광다이오드(OLED) 구동회로로 상용화된 저온 다결정 실리콘 기반 트랜지스터의 성능과도 거의 유사하다. 연구팀은 작년의 성능을 갱신하며, 또 한 번 세계 최고 성능의 트랜지스터를 개발하는 데 성공한 것이다.
노용영 교수는 “저온 공정 P형 반도체 성능이 향상돼 N형 반도체와 비슷해지면 보다 빠른 성능의 전자 회로를 제작할 수 있고, 데이터 정보처리 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있을 것”이라며 “이번 연구가 반도체와 트랜지스터를 활용하는 전기 전자 분야에 널리 적용되길 바란다”고 말했다.
한국연구재단 중견연구자사업과 국가반도체연구실사업, 삼성디스플레이 지원으로 수행된 이번 연구성과는 21일(현지시간) '네이처 일렉트로닉스'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
