김혁 교수·동아대 이용주 교수 공동 연구팀, 반도체 공정비용 절감하는 제조공정 핵심기술 개발
- 단일 반도체로 P형·N형 모두 구현하는 양극성 반도체 기술 개발
- 고성능 인버터와 NAND·NOR 등 다양한 디지털 논리회로 구현
- 반도체 소재 및 제조공정 단순화를 통한 반도체 공정 비용 절감 가능
서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수와 동아대학교 반도체학과 이용주 교수 공동연구팀이 하나의 반도체 소재만으로 P형과 N형 동작을 모두 구현하는 양극성(Ambipolar) 트랜지스터를 개발하고, 이를 인버터뿐만 아니라 NAND와 NOR 논리회로까지 확장하는 데 성공했다.
이 연구 결과는 세계적인 학술출판사 와일리(Wiley)가 발행하는 국제학술지 『Advanced Functional Materials』(Impact Factor: 19.9)에 「Ambipolar Organic Thin-Film Transistors Enabled by Non-Fullerene Acceptors for Logic Circuits」라는 제목으로 게재됐다. 고승연 연구원과 Swarup Biswas 연구원이 공동 제1저자로, 이용주 교수는 공동저자로 참여했으며, 김혁 교수는 교신저자로 연구를 주도했다.
▲양극성 유기 박막트랜지스터 기반 인버터 및 NAND·NOR 논리회로 소자 구조
▲양극성 유기 박막트랜지스터 기반 고성능 인버터의 구조 및 구동 특성
기존 반도체 논리회로는 P형과 N형 동작을 구현하기 위해 서로 다른 반도체 소재를 각각 사용해야 하는 경우가 많아 제조공정이 복잡해지는 한계가 있었다. 연구팀은 유기물 반도체 소재인 IEICO-4F의 낮은 밴드갭과 전하 주입에 유리한 에너지 구조에 착안해, 하나의 반도체 소재에서 전자와 정공이 모두 이동할 수 있는 반도체 소자를 구현했다. 이를 통해 단일 소재만으로 P형과 N형 동작이 모두 가능해, 소재의 복잡성을 줄이고 반도체 제조공정을 단순화할 수 있는 가능성을 제시했다.
연구팀은 절연층 표면에 ODPA 자기조립단분자막(SAM)을 형성해 반도체와 절연층 계면의 결함을 줄이고 분자 배열을 개선함으로써, 유기물 반도체에서 정공과 전자가 균형 있게 이동하는 양극성 특성을 확보했다. 이를 바탕으로 하나의 반도체 소재로 P형과 N형 동작이 가능한 고성능 인버터를 구현했으며, 소자 구조 최적화를 통해 P형과 N형에서 각각 최대 약 21.4와 22.8의 전압 이득을 달성했다. 나아가 NAND와 NOR 논리게이트까지 구현해 안정적인 디지털 논리 동작을 확인함으로써, 양극성 반도체 기술을 단일 트랜지스터 수준에서 실제 기능성 논리회로 수준으로 확장했다.
▲양극성 유기 박막트랜지스터 기반 NAND·NOR 논리회로의 구조 및 구동 특성
김혁 교수는 “이번 연구는 하나의 반도체 소재만으로 P형과 N형 동작을 구현해 기존 논리회로 제작에 필요한 소재와 공정을 줄일 수 있다는 점에서 의미가 있다”며 “이러한 공정 단순화는 향후 제조비용 절감과 대면적·유연 전자소자 제작에 유리할 것으로 기대되며, 웨어러블 전자소자와 저전력 집적회로 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌 기초연구실 지원사업(심화형), 한국연구재단의 창의·도전연구 기반지원 사업, 산업통상부·한국산업기술기획평가원(KEIT) 반도체 첨단전략산업초격차기술개발 사업 등의 지원과 서울시립대학교 반도체연구센터(UOS Fab)의 인프라 지원을 받아 수행됐다.
▲왼쪽부터 고승연 연구원(제1저자), Biswas Swarup 연구교수(제1저자), 이용주 교수(공동저자), 김혁 교수(교신저자)