[더테크 이지영 기자]  반도체 내부 전기 흐름을 방해하는 ‘보이지 않는 결함’을 기존보다 약 1,000배 더 민감하게 찾아낼 수 있는 분석 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 반도체 성능과 신뢰성 향상은 물론, 불량 원인 분석 시간과 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 신소재공학과 신병하 교수와 IBM T. J. 왓슨 연구소의 오키 구나완 박사 공동 연구팀이 반도체 내부 전자 트랩과 전자의 이동 특성을 동시에 분석할 수 있는 새로운 측정 기법을 개발했다고 8일 밝혔다.

반도체 내부에는 전자를 붙잡아 이동을 방해하는 전자 트랩이 존재할 수 있다. 전자가 이 트랩에 포획되면 누설 전류가 발생하거나 소자 성능과 수명이 저하된다. 이에 따라 전자 트랩의 밀도와 특성을 정확히 파악하는 것은 반도체 성능 평가의 핵심 요소로 꼽힌다.

연구팀은 반도체 분석에 오래전부터 사용돼 온 홀(Hall) 측정법에 주목했다. 여기에 빛 조사와 온도 변화를 결합한 새로운 측정 방식을 도입해, 기존 기법으로는 확인하기 어려웠던 전자 트랩 정보를 정밀하게 분석하는 데 성공했다.

빛을 약하게 비추면 생성된 전자들이 먼저 트랩에 포획되고, 빛의 세기를 점차 높이면 트랩이 채워진 이후 전자들이 자유롭게 이동한다. 연구팀은 이 과정을 정량적으로 분석해 전자 트랩의 양과 특성을 계산했다.

이 기법의 강점은 한 번의 측정으로 전자의 이동 속도, 수명, 이동 거리뿐 아니라 전자 이동을 방해하는 트랩 특성까지 동시에 파악할 수 있다는 점이다. 분석 효율과 정밀도를 모두 끌어올린 셈이다.

연구팀은 해당 기법을 실리콘 반도체에 적용해 정확성을 검증한 뒤, 차세대 태양전지 소재로 주목받는 페로브스카이트에도 적용했다. 그 결과 기존 기술로는 검출이 어려웠던 극미량의 전자 트랩까지 찾아내며 약 1,000배 향상된 민감도를 입증했다.

신병하 교수는 “반도체 내부 전기 흐름과 이를 방해하는 요인을 하나의 측정으로 동시에 분석할 수 있는 새로운 방법”이라며 “메모리 반도체와 태양전지 등 다양한 반도체 소자의 성능과 신뢰성 향상에 중요한 도구가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 신소재공학과 박사과정 김채연 학생이 제1저자로 참여해 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 1월 1일 자에 게재됐다.