[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

박막트랜지스터(Thin-Film Transistor, TFT)는 입력 신호에 따라 전류를 on-off하는 스위칭 소자로, 디스플레이 패널과 각종 전자기기의 핵심 부품으로 사용된다. 2004년 일본 호소노(Hideo Hosono) 교수팀이 보고한 비정질 산화물 반도체 IGZO(In–Ga–Zn–O) TFT는 낮은 온도에서 제작이 가능하면서도 높은 이동도와 낮은 누설전류를 보여 OLED TV, 태블릿, 스마트워치 등에 폭넓게 적용되고 있다.

최근에는 이러한 산화물 반도체 TFT를 메모리 반도체인 DRAM의 구동 소자로 확장하려는 시도가 활발하며, 고이동도·고신뢰성 특성이 요구되고 있다. 이동도(Mobility)는 전자가 채널 내에서 얼마나 빠르게 이동하는지를 나타내는 지표로, 소자의 성능과 집적도를 가늠하는 핵심 척도다. 그러나 논문마다 보고되는 이동도 값의 편차가 커, 실제 재료의 성능을 객관적으로 비교하기 어렵다는 문제가 꾸준히 제기되어 왔다. 이에 따라 정확하고 표준화된 이동도 평가 방법의 필요성이 커지고 있다.

2.연구내용

공동연구팀은 박막트랜지스터의 이동도 값이 소자의 기하학적 구조(geometry)에 따라 실제보다 크게 과대평가될 수 있음을 처음으로 실험적·이론적으로 규명했다. 연구진은 비정질 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO) 기반 TFT를 대상으로 채널 폭(WCH)과 전극 폭(WDS)의 비율을 달리한 두 가지 구조를 비교하였다.

그 결과, 채널 폭이 전극 폭보다 넓은 구조(WCH > WDS, ‘type 1’)에서는 채널 길이(L) 대비 폭 비(L/W)가 커질수록 전극 주변에서 흐르는 프린지전류(fringe curren)가 증가해 이동도가 실제보다 최대 30배 이상(약 450 cm²/V·s) 과대평가되는 현상이 나타났다. 반면, 채널 폭이 전극 폭보다 작은 구조(WCH < WDS, ‘type 2’)에서는 fringe current의 영향이 거의 없으며, 이동도는 약 15 cm²/V·s 수준으로 일정하게 유지되었다.

연구진은 이를 TCAD 시뮬레이션과 등가회로 모델을 통해 분석해, 프린지 전류가 소자 주변부에서 추가 전류 경로를 형성해 ‘유효 전극 폭(Weff)’을 확장시키고 그 결과 이동도가 과대 산출된다는 물리적 메커니즘을 제시했다. 또한 등각 사상(conformal mapping)을 이용한 해석적 모델을 새롭게 도출해, 실험과 시뮬레이션 모두에서 관찰된 과대평가 경향을 정량적으로 설명하였다. 이를 기반으로 연구진은 △기하학적 구조(L/W ≤ 1/12 권장), △Hall 이동도 교차 검증, △전극 폭 명시 등 이동도 평가의 표준 가이드라인을 제안하였다.

3.기대효과

이번 연구는 산화물 반도체뿐 아니라 페로브스카이트, 2차원 소재, 유기 반도체 TFT 등 다양한 소자에 공통으로 적용될 수 있는 보편적 이동도 과대평가 원인을 규명했다는 점에서 큰 의의가 있다.

정확한 이동도 평가 기준이 확립되면, 소재 성능 비교의 신뢰성이 높아지고 연구 간 객관적 경쟁 환경이 조성될 것으로 기대된다. 나아가 TFT 성능 보고 시 반드시 구조적 요인을 함께 고려해야 함을 제시함으로써, 향후 반도체 소자 연구의 윤리적 신뢰성과 기술적 투명성을 한 단계 끌어올리는 전환점이 될 것으로 전망된다.

[붙임]용어설명

1.박막트랜지스터 (Thin-Film Transistor, TFT)

유리나 플라스틱 기판 위에 얇은 반도체 소재 막을 증착해 만든 트랜지스터로, 반도체 칩에서 전류의 흐름을 조절하는 스위칭 소자다. 디스플레이의 각 화소를 켜고 끄는 역할을 하며, 반도체의 종류에 따라 실리콘, 산화물, 유기 반도체 TFT 등으로 나뉜다.

2.IGZO (Indium-Gallium-Zinc Oxide)

인듐, 갈륨, 아연의 산화물로 구성된 비정질 반도체다. 높은 전자 이동도와 낮은 누설전류를 동시에 구현할 수 있어, OLED TV와 같은 고해상도·저전력 디스플레이에 널리 쓰인다.

3.이동도 (Mobility)

전자가 외부 전기장에 반응해 이동하는 속도를 나타내는 물리량이다. 값이 높을수록 전류가 잘 흐르고, 반도체 소자가 더 빠르게 작동할 수 있다. 전계 효과 이동도(Field-Effect Mobility)는 트랜지스터의 측정 전류로부터 간접적으로 계산되는 값이다.

4.프린지 전류 (Fringe Current)

전극의 가장자리 주변에서 생기는 ‘샛길 전류’를 말한다. 채널 폭이 전극 폭보다 넓을 때 주변부로 새어나가며, 이동도를 실제보다 크게 계산하게 만드는 원인이 된다.

5.등각 사상 (Conformal Mapping)

복소수 해석학의 수학적 기법으로, 복잡한 전기장 분포를 단순한 평면으로 변환해 분석하는 방법이다. 이번 연구에서는 전극 주변의 전위 분포를 정밀하게 계산해 프린지 전류의 기여도를 정량화하는 데 사용됐다.

6.Hall 이동도 (Hall Mobility)

자기장을 가했을 때 전자가 옆으로 휘는 ‘홀 효과(Hall effect)’를 이용해 전자의 실제 이동 속도를 직접 측정하는 방법이다. 산화물과 같은 반도체 소재 자체의 성능을 평가할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 채널과 전극 구조에 따른 박막 트랜지스터(TFT) 특성 비교

채널의 폭이 전극보다 넓은 구조(Type 1)와 좁은 구조(Type 2)의 전기적 특성을 비교한 결과이다. Type 1 구조는 L/W(길이/폭) 비율이 커질수록 측정된 전하 이동도(FEM)가 심각하게 과대평가되는 현상을 보였다. 반면, Type 2 구조에서는 L/W 비율과 관계없이 일정한 값을 유지하며 정확한 이동도 측정이 가능함을 보여준다.

그림 2. 시뮬레이션을 통한 프린지 전류 분석

박막 트랜지스터(TFT) 내 전류 흐름을 TCAD 시뮬레이션으로 분석한 결과이다. 총 드레인 전류는 전극 사이의 중심부를 흐르는 전류(Center current)와 채널 주변부로 넓게 퍼져 흐르는 프린지 전류(Fringe current)의 합으로 구성된다. 프린지 전류는 소자 구조가 변해도 그 양이 거의 일정하지만, 이 값이 전체 성능 계산에 포함되면서 전하 이동도(FEM)가 과대평가되는 직접적인 원인이 됨을 보여준다.