-원자력연, 나노반도체 표면에 얇은 금속산화물 층을 쌓는 방사선 영향 억제 기술 개발-

-양성자에 의한 오류 대폭 감소 효과 최초 확인, 차세대 우주항공용 반도체에 활용-

□ 우주에는 많은 종류의 방사선이 다량 존재하며, 이는 반도체를 사용하는 제품 고장 중 30% 이상의 원인이 되고 있다. 이에 방사선을 견디는 내방사화 기술은 차세대 우주항공용 반도체 개발에 있어 매우 중요하다. 그런데 최근 국내 연구진이 우주방사선의 80% 이상을 차지하는 양성자에 대한 반도체의 내방사화 기술을 개발해 기대를 모은다. 

사진 1. 한국원자력연구원과 포항공과대학교가 공동으로 우주항공용 나노반도체 내방사화 기술을 개발했다.

□ 한국원자력연구원 첨단방사선연구소는 포항공과대학교와 공동 연구를 통해 반도체 표면을 외부와 물리적으로 분리해 대기 중 물과 산소 등을 차단하는 패시베이션(Passivation) 층을 쌓아 양성자에 의한 나노반도체 오류를 대폭 억제한 내방사화 기술 개발에 성공했다고 6일 밝혔다. 

 ㅇ 연구원 방사선융합연구부 강창구 박사팀과 포항공대 이병훈 교수팀은 물질을 기체 상태로 만들어 표면에서 화학반응으로 얇게 쌓는 원자층 증착 방식을 활용해 산화아연(ZnO) 기반의 나노반도체 표면에 10나노미터(nm) 두께의 산화알루미늄(Al2O3) 패시베이션 층을 쌓았다. 

 ㅇ 패시베이션 층을 적용한 반도체와 그렇지 않은 반도체 모두에 양성자가속기를 활용해 양성자를 조사하고, 전기적 특성 변화를 비교 분석했다. 그 결과, 패시베이션 층이 양성자 조사에 따른 반도체의 전기적 특성 변화를 매우 효과적으로 억제함을 확인했다. 

 ㅇ 반도체의 건전성은 전류가 흐르기 위한 최소 전압인 문턱전압, 동일 조건에서 반도체 출력값이 달라지는 이력현상 지수, 반도체의 스트레스 지수, 반도체 동작 시 원하지 않는 신호인 노이즈 값 등의 변화로 판단한다. 

 ㅇ 패시베이션 층으로 보호받는 반도체는 그렇지 않은 반도체에 비해 양성자 조사 후 문턱전압 변화는 60%, 이력현상 지수와 스트레스 지수 변화는 90% 대폭 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 노이즈 값은 양성자 조사 후에도 전혀 변하지 않았다. 

 ㅇ 이처럼 우주방사선의 대부분을 차지하는 양성자의 영향으로부터 반도체를 효과적으로 보호하는 이 기술은 차세대 우주항공용 나노반도체의 내방사화 시스템 구현을 위한 핵심기술이 될 것으로 기대된다. 

사진 2. 우주항공용 나노반도체 내방사화 기술 모식도

□ 본 연구는 과학기술정보통신부 이공분야 기초연구사업의 지원을 받아 수행되었다. 출연(연)과 대학 간 장점을 살려 연구원이 반도체 제작 및 양성자 조사실험을, 포항공대에서 전기적 특성 변화 분석을 담당했으며, 연구 결과는 국제학술지인 나노컨버전스(Nano Convergence) 1월호에 게재되었다.

   * (논문명) Enhanced high-energy proton radiation hardness of ZnO thin-film transistors with a passivation layer(패시베이션층을 적용한 극박막 산화아연 트랜지스터의 양성자 고에너지 양성자 내방사성 향상)

사진 3. 우주항공용 나노반도체 내방사화 기술 개발 주요 연구진(사진 왼쪽부터 이용수 박사, 강창구 박사, 이병훈 교수)

□ 향후 연구팀은 반도체 내방사화 기술의 구체적인 메커니즘 규명을 위한 방사선 영향평가 분석시스템을 고도화하고, 다양한 회로 수준에서 내방사선 반도체 연구를 지속할 계획이다. 

□ 연구원 정병엽 첨단방사선연구소장은 “이번 기술은 차세대 나노반도체에 원자층 증착 방식으로 패시베이션 층을 쌓고, 실제 내방사선 효과까지 검증한 사례”라며, “우리나라가 우주항공용 반도체 기술 경쟁에서 우위를 확보할 수 있도록 더욱 노력하겠다”고 밝혔다.