국내 연구팀, 100년간 이어온 반도체 분석 향상시키는 기술 개발

[이뉴스투데이 여용준 기자] 신병하 KAIST 신소재공학과 교수와 오키 구나완 IBM 연구소 박사 공동 연구팀이 반도체 특성 분석의 핵심 기술인 ‘홀 효과’의 한계를 넘어 더 많은 정보를 얻을 수 있는 새로운 반도체 정보 분석 기술을 개발했다.

14일 KAIST에 따르면 이번 연구는 140년 전에 처음 발견된 이래로 반도체 연구 및 재료 분석의 토대가 된 홀 효과 측정에 대한 새로운 발견이다. 앞으로 반도체 기술 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

신병하 교수와 오키 구나완 박사가 교신 저자로, 배성열 박사과정이 2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 10월 7일 자 온라인판에 게재됐다.

1879년 에드윈 홀이 발견한 ‘홀 효과’는 물질의 전하 특성(유형, 밀도, 이동성 또는 속도)에 대한 중요한 정보를 제공한다. 이는 반도체 소자를 이해하고 설계하는 데 필요한 가장 기본적인 특성들이다. 

이러한 이유로 ‘홀 효과’는 지난 100년이 넘는 시간 동안 가장 일반적인 반도체 특성 분석 기법의 하나며 전 세계의 반도체 연구기관에서 보편적으로 사용되고 있다.

그러나 현재까지의 분석 기법으로는 ‘홀 효과’를 통해 다수 운반체와 관련한 특성만 파악할 수 있고 태양 전지와 같은 소자의 구동 원리 파악에 필수인 소수 운반체 정보는 얻을 수 없다는 한계가 있었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 ‘포토 홀 효과’(CRPH)’ 기술을 개발했다. 이 기술을 사용하면 한 번의 측정으로 다수 운반체 및 소수 운반체에 대한 많은 정보를 동시에 추출할 수 있다. 

기존 홀 측정에서는 세 가지 정보를 얻을 수 있었다면 연구팀의 새로운 기술은 실제 작동 조건을 포함한 여러 광도에서 광여기 전하의 농도, 다수 운반체 및 소수 운반체의 전하 이동도, 재결합 수명, 확산 거리 등 최대 7개의 중요한 정보를 얻을 수 있다. 

연구팀의 이 기술은 태양 전지, 발광 다이오드와 같은 광전자 소자 분야에서 사용 가능한 신소재 개발 및 최적화에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

신 교수는 “지난 2년간의 연구가 좋은 결심을 맺게 되어 기쁘고 이 기술을 통해 새로운 광소자 물질의 전하 수송 특성을 이해하고 더 나은 소자를 개발하는 데 큰 도움이 되리라 믿는다”라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업의 지원을 통해 수행됐다.