메모리와 태양전지 등은 모두 반도체로 만들어지며, 반도체 내부에는 전기 흐름을 방해하는 보이지 않는 결함이 숨어 있을 수 있다. 공동연구진이 이러한 ‘숨은 결함(전자 트랩)’을 기존보다 약 1000배 더 민감하게 찾아낼 수 있는 새로운 분석 방법을 개발했다.

 

이 기술은 반도체 성능과 수명을 높이고, 불량 원인을 보다 정확히 규명해 개발 비용과 시간을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

 

KAIST는 신소재공학과 신병하 교수와 IBM T. J. Watson 연구소 오키 구나완 박사 공동 연구팀이 반도체 내부에서 전기를 방해하는 결함인 전자 트랩과 전자의 이동 특성을 동시에 분석할 수 있는 새로운 측정 기법을 개발했다고 8일 밝혔다.

 

 

반도체 안에는 전자를 먼저 붙잡아 이동을 막는 전자 트랩이 존재할 수 있다. 전자가 여기에 걸리면 전기가 원활히 흐르지 못해 누설 전류가 발생하거나 소자 성능이 저하된다. 따라서 반도체 성능을 정확히 평가하려면 전자 트랩이 얼마나 많고, 전자를 얼마나 강하게 붙잡는지를 파악하는 것이 중요하다.

 

연구팀은 오래전부터 반도체 분석에 사용돼 온 홀 측정에 주목했다. 홀 측정은 전기와 자기장을 이용해 전자의 움직임을 분석하는 방법이다. 연구팀은 여기에 빛을 비추고 온도를 변화시키며 측정하는 방식을 결합해, 기존 방법으로는 확인하기 어려웠던 정보를 얻는 데 성공했다.

 

빛을 약하게 비추면 새로 생성된 전자들이 먼저 전자 트랩에 붙잡힌다. 반대로 빛의 세기를 점차 높이면 트랩이 채워지고, 이후 생성된 전자들은 자유롭게 이동하기 시작한다. 연구팀은 이러한 변화 과정을 분석해 전자 트랩의 양과 특성을 정밀하게 계산할 수 있었다.

 

이 기법의 가장 큰 특징은 한 번의 측정으로 여러 정보를 동시에 얻을 수 있다는 점이다. 전자의 이동 속도와 수명, 이동 거리뿐 아니라 전자의 이동을 방해하는 트랩의 특성까지 함께 분석할 수 있다. 연구팀은 해당 기법을 먼저 실리콘 반도체에 적용해 정확성을 검증한 뒤, 차세대 태양전지 소재로 주목받는 페로브스카이트에 적용했다.

 

그 결과 기존 방법으로는 검출하기 어려웠던 극미량의 전자 트랩까지 정밀하게 찾아내는 데 성공했다. 이는 기존 기술 대비 약 1000배 더 민감한 측정 능력을 확보했다는 의미다.

 

신병하 교수는 “이번 연구는 반도체 내부에서 전기의 흐름과 이를 방해하는 요인을 하나의 측정으로 동시에 분석할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”며 “메모리 반도체와 태양전지 등 다양한 반도체 소자의 성능과 신뢰성을 높이는 데 중요한 도구가 될 것”이라고 말했다.

 

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제 학술지 Science Advances에 1월 1일 자로 게재됐다. 논문명은 ‘Electronic trap detection with carrier-resolved photo-Hall effect’다.

 

헬로티 이창현 기자 |