-원자력연-재료연 공동연구팀, 감마선으로 인한 나노소재 반도체의 전기적 특성 변화 확인-

-국제학술지 나노머티리얼즈 표지논문 선정, 우주용 내방사선 반도체 개발에 활용 기대-

□ 인공위성, 우주선 등에 사용되는 반도체는 극한의 환경을 견뎌야 한다. 특히 양성자나 감마선과 같은 우주방사선은 반도체 고장을 유발하는 주요 원인이다. 이에 방사선을 잘 견디고 성능이 우수한 나노소재를 활용해 내방사선 반도체를 개발하는 연구가 이루어지고 있다. 최근 국내 연구진이 나노소재 반도체에 대한 감마선의 영향과 그 원리를 밝혀 관심을 모은다.

사진 1. 2차원 나노소재를 활용해 트랜지스터를 제작했다.

사진 2. 트랜지스터를 방사선 측정용 보드 가운데 부착해 감마선 조사실험을 했다.

□ 한국원자력연구원은 한국재료연구원과 공동 연구를 통해 2차원 나노소재인 이황화몰리브덴(MoS2)* 기반 반도체에 방사선의 일종인 감마선이 조사되었을 때 나타나는 전기적 특성 변화와 매커니즘을 규명했다고 25일 밝혔다.

    * (이황화몰리브덴, MoS2) 2차원 나노판상 구조의 반도체 물질로 원자 한 층에 가까운 두께로 유연하고 투명하며 전기적․광학적 특성이 우수해 우주용 반도체 소재로 활발히 연구되고 있다.

 ㅇ 연구원 방사선융합연구부 강창구 박사팀과 재료연구원 김용훈 박사팀은 먼저 이황화몰리브덴을 활용해 트랜지스터를 제작했다. 이 트랜지스터는 실리콘 기판 위에 전자를 차단하는 절연체와 반도체 물질인 이황화몰리브덴을 층으로 쌓고 전극으로 연결해 전기신호를 처리하는 반도체 소자이다.

 ㅇ 이후 트랜지스터에 동위원소인 코발트60(Co-60)에서 나오는 감마선을 조사해 특성을 분석했다. 그 결과, 감마선 조사량이 증가할수록 기존 실리콘 소재와 달리 트랜지스터에 전류가 흐르기 위한 최소한의 전압인 문턱전압이 높아짐과 동시에 전류가 소폭 감소해 반도체에 오류를 일으킬 수 있는 특이 현상이 관찰되었다.

 ㅇ 이 현상의 메커니즘을 분석한 결과, 감마선이 이황화몰리브덴에 조사되면 전자가 비정상적으로 빠져나와 절연체와의 경계면과 공기층(air gap)으로 들어가는 전자 터널링이 일어난 것이 원인이었다. 또한, 감마선 조사량이 증가할수록 더 많은 전자 터널링 현상이 일어남을 확인했다.

사진 3. 나노소재 반도체 감마선 영향 분석 주요 연구진

(왼쪽부터) 한국원자력연구원 김수진 박사, 강창구 박사, 한국재료연구원 김용훈 박사

□ 이는 감마선 등의 방사선으로 인한 반도체 고장의 원인이 소자 자체의 변화가 아니라 반도체 내부의 경계면과 제작공정에서 발생한 공기층이 연계되어 발생할 수 있음을 제시한 것으로, 향후 내방사선 반도체 기술 개발을 위한 중요한 정보를 제공한 것으로 평가된다.

□ 출연(연)간 장점을 살려 재료연구원은 트랜지스터를 제작하고, 원자력연구원이 감마선 조사 및 분석을 담당한 이번 융합연구는 산업통상자원부 K-센서기술개발사업과 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 국제학술지인 나노머티리얼즈(Nanomaterials) 8월호 표지논문으로 게재되었다.

   * (논문명) Gamma-Irradiation-Induced Electrical Characteristic Variations in MoS2 Field-Effect Transistors with Buried Local Back-Gate Structure

              (후면게이트구조를 갖는 MoS2 트랜지스터의 감마선 조사에 의한 전기적 변화)

사진 4. 국제학술지 나노머티리얼즈(Nanomaterials) 8월호에 표지논문으로 선정되었다.

□ 향후 연구팀은 방사선 영향평가 분석시스템의 고도화를 통해 나노소재 기반 반도체 소자가 방사선을 견디는 특성을 개선하고, 다양한 회로 수준에서 내방사선 반도체 연구를 수행할 계획이다.

□ 연구원 정병엽 첨단방사선연구소장은 “나노소재를 이용한 내방사선 반도체 기술 개발은 아직 초기 단계”라며, “방사선으로 인해 화학적․물리적 성질이 나빠지는 열화현상의 근본적 원인을 밝힐 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.