한양대는 유기나노공학과 박희준 교수 연구팀(제1저자 정범호 석박통합과정)이 부경대학교 고분자·화학소재공학부 장동욱 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 기능성 분자를 기반으로 한 ‘분자 계면층(molecular interlayer)’을 설계해, 페로브스카이트 표면의 결함을 효과적으로 제어함과 동시에 전극 계면에서 강한 쌍극자층(dipole layer)를 형성하여 전하 주입 효율을 대폭 향상시킨 고성능 p-채널 2차원(2D) 주석(Sn) 할라이드 페로브스카이트 트랜지스터 소자를 개발했다고 밝혔다.

차세대 디스플레이, 이미지 센서, 3D 직접 시스템 등에서 요구되는 저온 공정 기반 박막 트랜지스터(TFT) 기술 개발을 위해, 현재 n-채널 TFT는 다수의 성과를 달성한 반면, 저온 공정과의 호환성을 유지하며 안정적으로 작동하는 p-채널 TFT 개발은 미진한 상태이다. 이로 인해 저전력·고정밀 회로 구현에 핵심적인 CMOS 유사 회로 설계에는 한계가 존재해 왔다.

페로브스카이트 반도체는 태양전지와 발광소자(LED) 분야에서 주목받고 있으며, 특히 주석(Sn) 기반 페로브스카이트는 납(Pb)을 대체할 수 있는 친환경 소재로 주목받고 있다. 또한, 낮은 정공 유효 질량과 전하 산란 억제 특성 덕분에 고성능 p-채널 트랜지스터 구현에 적합한 물성을 갖추고 있다. 그러나 Sn²⁺의 산화로 인한 내재된 화학적 불안정성, 결함 생성, 그리고 자체적인 p형 도핑 효과 등은 소자의 성능과 안정성 확보에 어려움을 초래했다.

이에 공동 연구팀은 기능성 작용기를 갖는 유기반도체 분자 계면층을 설계하여 이를 채널 층 상부에 도입함으로써, Sn 페로브스카이트 표면의 결함을 효과적으로 제어하고 박막 품질을 향상시켜 전기적 특성을 크게 개선하였다. 더불어, 이 계면층의 강한 쌍극자 모멘트를 활용해 금속(소스 및 드레인) 전극과의 에너지 장벽을 낮춰, 전하 수송 효율을 증가시키는 이중적 역할을 달성하였다.

그 결과, 개발된 p-채널 트랜지스터 소자는 우수한 정공 이동도(hole mobility > 14 cm²V^-1s^-1)와 큰 온-오프 전류비(I_on/I_off >10⁷) 등 뛰어난 전기적 특성을 기록하며, 동종 소재 기반 세계 최고 성능 수준을 상회하는 성과를 보였다. 또한, 계면 결함으로 인한 히스테리시스 현상이 현저히 줄어들었으며, 반복 측정 시에도 재현성과 장기간 안정성을 유지하는 데 성공하였다.

연구를 주도한 박희준 교수는 “디스플레이 구동 회로, 이미지 센서 어레이, 3D 적층 반도체 시스템 등에서 CMOS 유사 회로 구성을 가능하게 하는 핵심기술로, 저전력·고성능 반도체소자의 기반을 마련한 데 큰 의미가 있다”며 “전통적인 CMOS 기술을 넘어 고효율·친환경·유연 전자소자 개발을 가속화할 수 있는 차세대 플랫폼 기술로 확장이 기대된다”고 전했다.

본 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 PIM 인공지능반도체핵심기술개발(소자)사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며 연구 성과는 재료과학 분야 권위지인 「Advanced Science」에 게재됐다.