극한 환경 견디는 차세대 산화물 반도체 연구

[이슈메이커=임성희 기자] 

 

극한 환경 견디는 차세대 산화물 반도체 연구

배학열 전북대 전자공학부 교수/차세대 인공지능 반도체 연구실(사진=임성희 기자)

 

고온, 고압, 우주환경에서도 작동하는 무적의 반도체 개발 가능할까?

무어의 법칙이 한계에 봉착한 것일까? 반도체 기술의 진전이 더뎌지며, 반도체 불황이 오는 거 아니냐는 불안이 제기되고 있다. 이에 후공정에 관심이 쏠리며 패키징 기술로 한계를 극복하려는 움직임이 거세지고 있다. 차세대 반도체 소자 분야 신진연구자로 주목받는 배학열 전북대 교수는 “반도체 기술이 포화상태인 건 맞지만, 전자공학적인 관점에서 소재 특성과 공정을 통해 기술의 발전을 이끌 수 있는 여지는 여전히 존재합니다”라고 밝혔다. 그는 차세대 반도체 소자, 특히 극한 환경을 견디는 산화물 반도체 연구에 매진하고 있다. 

반도체 소자 개발, 신뢰성 분석 기술, 성능 개선으로 이어지는 선순환 시스템 보유
“대학원에서는 산업에서 많이 쓰이는 실리콘 소재를 기반으로 반도체 소자 개발 및 전기적 특성 분석, 모델링에 대한 연구를 했었고, KAIST에서 박사학위를 받고 Purdue University에서 postdoc 연구원으로 재직하며 원자층증착 방법인 ALD를 이용한 thin-film 소재 및 소자 개발에 관한 연구를 주로 하였습니다. 이후 삼성전자 종합기술원 강유전체 소재 개발팀에 입사하여 차세대 강유전체 박막 개발 및 이를 적용한 3차원 고성능 반도체 소자 개발 및 TCAD Simulation 연구를 수행했습니다”라고 배학열 교수가 자신의 연구경력을 소개하며 “대학원 들어갈 때 이미 교수의 꿈을 갖고 있었고, 산업체를 거쳐 경험을 쌓은 후 좋은 기회로 2022년 전북대에 올 수 있었습니다”라고 밝혔다. 부임 초기 열정적인 학생들을 선발하고 반도체 연구 인프라 구성에 많은 시간과 노력을 투자했다는 그는 “우리 연구실은 주로 실리콘 및 산화물 소재를 이용한 소자 공정과 전기적 특성 분석/시뮬레이션 연구를 수행합니다. 실리콘 반도체의 경우 3차원 구조의 FinFET 혹은 GAA FET 소자를 주로 다루고 있고, 산화물 소재의 경우 반도체 채널로 활용하는 IGZO, perovskite oxide, β-Ga2O3  등과 절연막으로 활용하는 high-k 소재를 연구합니다. 이런 소재들을 기반으로 고성능/고내구성 로직 및 메모리 반도체 소자를 개발하고 인공지능 반도체의 응용 분야까지 다룹니다”라며 다방면의 노력으로 연구과제 수주 등 안정적인 연구환경을 조성할 수 있었다고 말했다. 덧붙여 그는 “학교 레벨에서 미세소자를 만드는 것은 기업처럼 고가의 정밀한 장비 인프라를 갖추기 어렵기 때문에 어느 정도 한계가 있습니다. 그래도 저만의 기술력으로 한계를 극복해가고 있습니다”라며 “반도체 소자 공정의 경우, 소자의 물성과 전기적 특성 등을 동시에 진행해 파악하고 소자의 신뢰성이 어떤 원인으로 열화될 수 있는지에 대한 분석을 정량적으로 수행할 수 있는 기술을 확보하고 있고, 이를 다시 소자 공정에 반영해서 성능을 개선할 수 있는 시스템을 갖추고 있습니다”라고 설명했다. 반도체 소자를 개발하고 신뢰성을 분석해 결함이 있다면 이를 개선해 다시 반도체 소자 개발에 반영하는 선순환 시스템이라 해석할 수 있다. 

우주 환경 극복을 위한 고성능 초고밴드갭 에너지 반도체 개발
배학열 교수 연구그룹이 ‘우주환경 극복을 위한 고성능 초고밴드갭 에너지 반도체 개발’로 ‘2024 나노 및 소재기술개발사업(소재글로벌영커넥트사업)’에 선정됐다. 반도체 분야 신진연구자들의 각축전이었던 이 사업에서 창의적이고 미래지향적인 과제로 선정되며 향후 연구 활동에 기대를 더했다. “저와 저희 그룹이 해왔던 반도체 연구 분야가 잘 맞았습니다. 전자공학적 관점에서 반도체 소자를 연구해왔기 때문에 새로운 소재를 기반으로 한 고성능/고내구성 반도체 소자 개발과 전기적 특성 분석법 개발/신뢰성 평가 및 성능향상에 관한 연구를 주로 수행할 예정입니다. 이번에 제안한 연구가 산화물 반도체 소재 기반 극한 환경 내의 고성능 소자 개발이었고, 특히 제가 신진연구자임에도 그동안 쌓아왔던 연구 결과들이 새로운 주제를 제안하고 과제에 선정되는데 주효했습니다. 그다음으로는 참여 연구진의 역량입니다. 국내 연구기관은 반도체 소재/소자/공정/분석의 각 분야에서 탁월한 역량을 보유한 분들로 구성되었고 해외 공동연구기관인 University of Minnesota의 연구그룹은 고품질 산화물 반도체 소재 및 고성능 소자 개발에 뛰어난 업적이 있는 신진연구자입니다. 국내/외 팀의 연구 분야와 실적, 그리고 제안한 주제의 적합성이 과제에 선정된 원동력인 것 같습니다”
  이번 선정 과제는 매우 도전적인 연구로 우주환경과 같은 극한 환경에서 활용할 수 있는 차세대 산화물 반도체 소재 및 소자, 응용에 관한 연구다. 실리콘 다음 소재로 주목받는 산화물 반도체는 넓은 밴드갭과 우수한 전기적 특성을 갖고 있어 고성능 및 고집적 반도체 및 다양한 산업 분야에 응용될 가능성이 크다. 배학열 교수는 이 소재를 활용해 고온, 고압, 방사선 등 극한 환경을 견뎌내는 소자 연구에 주목했다. 앞으로 우주산업과 같은 극한 환경에 적합한 반도체 개발이라는 비전을 생각한다면 꼭 필요한 기술이다. “넓은 밴드갭에너지를 갖는 산화물 소재의 대면적 증착과 더불어 결함을 최소화한 고품질 박막 개발 및 이를 활용한 고내구성 반도체 소자 개발이 수행됩니다. 해외 공동연구기관이 넓은 밴드갭에너지를 갖는 산화물 반도체의 박막 성장에 탁월한 기술력을 보유하고 있어 이번 협력연구를 통해 관련분야의 원천기술 확보가 기대됩니다” 

배학열 교수는 학생들에게 주변의 동료들과 함께 협력하고 의사소통을 원만하게 할 수 있는 자세를 가지라고 강조하며 “새로운 지식을 배우는데 그대로 받아들이는 것보다 과거 기술과 어떤 차이들이 있는지 살펴보면서 내가 새롭게 적용할 수 있는 아이디어들이 있는지 깊이 생각해야 합니다”라고 덧붙였다.(사진=임성희 기자)

“넓은 밴드갭에너지를 갖는 산화물 소재의 대면적 증착과 더불어 결함을 최소화한 고품질 박막 개발 및 이를 활용한 고내구성 반도체 소자 개발이 수행됩니다. 해외공동연구기관과의 협업으로 원천기술 확보가 기대됩니다”

“지역대에서 반도체 연구와 전문인력 양성 성과 낼 것”
전북대는 반도체 소재·부품·장비 분야의 인력 양성을 위한 반도체 소부장 혁신융합대학사업 컨소시엄에 참여하며 반도체 전문인력 양성에 앞장서고 있다. 뿐만아니라, 반도체공동연구소사업, 반도체특성화대학사업, 반도체전공트랙사업 등을 함께 수행하고 있다. 사업에 참여하는 배 교수는 “반도체 관련 연구나 기술이 수도권에 집중돼 있는데요, 저부터 앞장서서 지역에서 반도체 전문인력양성의 모범을 보이고자 합니다”라며 “반도체에 관한 기본적인 이론 지식을 갖추는 것은 물론이고, 현재 개발되고 있는 반도체 분야의 응용 기술들을 함께 공부해야 합니다. ‘반도체’는 매우 광범위한 분야이기 때문에 공정, 소재, 소자, 회로 및 시스템, 패키징 등 다양한 시각에서 연구를 수행해야 합니다. 따라서, 학생들이 훌륭한 반도체 엔지니어로 성장하기 위해서는 항상 호기심을 가지고 적극적이고 도전적인 자세를 갖추어야 합니다”라고 학생들을 향한 주문도 잊지 않았다. 차세대 반도체 소자 연구 신진연구자로서 그의 꿈은 차차세대 반도체 소자 연구까지 이어진다. 그는 자신이 퇴직할 때까지 이루지 못할 수도 있지만 끊임없이 새로운 소재 개발과 소자 구현에 힘쓰고 싶다는 바람을 피력했다. 반도체 산업의 빠른 트렌드 변화와 극심한 경쟁 속에서 자신만의 연구 색깔과 뚝심으로 이를 극복하겠다는 배 교수의 의지가 엿보였다. “반도체 소자를 중점적으로 연구하는 만큼 학생들과 함께 다양한 반도체 소재들을 활용하여 지금과는 다른 새로운 구조를 개발하거나 획기적인 기능을 할 수 있는 반도체 소자를 개발하는 것이 연구비전이자 목표입니다”