주석 페로브스카이트 박막에 첨가제 조합…트랜지스터 이동도 88 넘어

한양대 연구진이 주석 기반 페로브스카이트 박막의 결정 구조를 조절하는 첨가제 조합을 제시했다. 실험실에서 만든 박막 트랜지스터의 전계효과 이동도는 88㎠/V·s를 넘었지만 상용 제품에서 검증된 수치는 아니다.

30일 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 공개된 연구는 주석 요오드화물 페로브스카이트에 구아니디늄 티오시안산염(GuaSCN)을 넣었다. 연구진은 유기 양이온과 티오시안산 이온을 함께 설계해야 결정 결합과 이온 이동을 조절할 수 있다고 설명했다. 계산 결과와 박막·소자 시험을 결합한 재료 연구다.

박막 소자에서 이동도 88 넘어

논문 초록에 따르면 첨가제를 넣은 소자의 이동도는 88㎠/V·s를 넘었고, 전류 온·오프 비율은 40억을 웃돌았다. 전류 온·오프 비율은 전기가 흐를 때와 차단됐을 때의 전류 차이를 나타낸다. 이 수치는 연구진이 만든 시험 소자의 결과다.

주석 페로브스카이트는 납을 쓰지 않는 박막 반도체 후보지만, 제조 과정에서 결정화가 빠르고 주석이 산화되기 쉬워 결함과 불안정성이 문제로 꼽힌다. 연구진은 첨가제가 결정 크기와 결정성을 개선하고 주석 산화를 억제했다고 보고했다. 전하가 이동하는 통로인 수십 나노미터 두께 박막에서 확인한 변화다.

소자 성능과 양산 가능성은 별개

독립된 앞선 연구에서도 다른 양이온 조합을 사용한 주석 페로브스카이트 트랜지스터가 이동도 70㎠/V·s 이상을 보였다. 이번 수치만으로 기존 방식보다 모든 조건에서 우수하다고 결론 낼 수는 없다. 측정 구조와 제작 조건이 다르고, 새 연구 역시 연구실 소자의 전기적 특성을 다룬다.

연구진은 소자 여러 개에서 작동과 보관 안정성이 개선됐다고 보고했다. 다만 실제 회로의 대량 제조 수율이나 장기간 현장 사용 성능까지 검증한 결과는 아니다. 연구진이 제시한 것은 첨가제의 이온 조합을 설계 변수로 삼는 방법이지 곧바로 상용화된 반도체 공정은 아니다.

대표 이미지: AI 생성 이미지 / 데이마크

자료: https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh2062
비교 연구: https://www.nature.com/articles/s41928-023-01019-6