▲ 국제학술지 나노머티리얼즈(Nanomaterials) 8월호에 표지논문으로 선정되었다. (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). / 이미지 제공=한국원자력연구원

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.

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

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.

▲ 1·2차원 나노소재를 활용해 트랜지스터를 제작했다. 사진 2. 트랜지스터를 방사선 측정용 보드 가운데 부착해 감마선 조사실험을 했다. / 사진 지료=한국원자력연구원

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.

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.

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.

▲ 2차원 나노판상 구조의 반도체 물질로 원자 한 층에 가까운 두께로 유연하고 투명하며 전기적․광학적 특성이 우수해 우주용 반도체 소재로 활발히 연구되고 있다. 나노소재 반도체 감마선 영향 분석 주요 연구진(왼쪽부터) 한국원자력연구원 김수진 박사, 강창구 박사, 한국재료연구원 김용훈 박사. / 사진=원자력연구원

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 게재됐다.

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.