국내 연구진이 산화물 반도체의 고속 구동 중에 발생하는 전자의 흐름 차단 현상을 발견하고 세계 최초로 원인을 증명했다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 이현준 지능형소자융합연구실 선임연구원 연구팀이 산화물 반도체가 고속으로 구동할 때 발생하는 피로 누적에 의한 소자 파괴 현상(이하 피로 파괴 현상)의 원인을 세계 최초로 규명했다고 11일 밝혔다.

산화물 반도체는 실리콘 반도체에 비해 전도성이 우수해 최근 산업체에서 활발하게 사용하고 있는 반도체 재료로 인공지능(AI)를 구현하기 위한 시스템 개발 등의 분야에서 활용하고 있다.

산화물 반도체는 높은 전자 이동도와 기존 반도체 양산 공정을 이용할 수 있다는 장점으로 차세대 디스플레이 소자의 핵심 소재로 주목받고 있지만 전기적 신호에 따른 피로 누적 현상으로 인한 여러 가지 문제점들로 인해 상용화에 어려움을 겪어 왔다.

이에 이현준 선임연구원 연구팀은 산화물 반도체로 제작된 전자소자가 고속으로 동작할 때 발생하는 소자의 피로 누적 현상의 원인으로 ‘비대칭적 국소 전자 흐름의 방해 현상’이 나타난다는 사실을 발견하고 고주파수 교류신호 인가 실험 및 수치 연산을 활용해 피로 파괴 현상을 증명했다.

이현준 선임연구원은 집적회로에서 인가되는 신호와 유사한 교류신호를 다양한 진동수 형태로 주입하는 신뢰성 평가 방법과 집적회로에서 발생하는 피로 누적 현상을 단위 소자에서 평가하는 방법을 동시에 적용해 피로 누적에 의한 소자 파괴 현상을 발견했다.

또한, 이러한 피로 누적 현상은 비대칭적 국소 영역에서 발생하며 전자의 흐름을 방해하는 에너지 장벽으로 작용해 소자의 수명이 단축된다는 사실을 수치 해석 방법으로 증명했다.

연구팀이 규명한 피로 파괴 현상은 소자의 전기적 신호에 의해 작동되는 모든 전자제품의 수명 및 동작의 신뢰성과 밀접하게 관련된 것으로 전자소자의 정보 처리, 자료 전달 등의 오류를 최소화할 수 있는 핵심 기술 개발로 이어질 것으로 기대된다.

이현준 DGIST 지능형소자융합연구실 선임연구원은 “산화물 반도체 상용화에 큰 걸림돌로 여겨왔던 피로 파괴 현상의 원인을 세계 최초로 규명한 것이 이번 연구의 의의다”며 “후속 연구개발을 통해 피로 파괴 현상이 없는 차세대 지능형 전자소자를 개발해 관련 기술 상용화를 앞당기는데 노력하겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 세계적 학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’ 2017년 8월호와 12월호에 각각 연속으로 게재됐다.