KOSEN 한인과학기술자네트워크

광운대학교 첨단 반도체 연구실 (SEMATEC)은 조원주 교수님께서 2006년에 설립하신 이래로 수많은 연구실적과 유수의 SCI 논문과 등을 게재하였으며 올해로 9년째를 맞이하고 있습니다.
그리 길지 않은 9년의 역사이지만 첨단 반도체 연구실을 졸업한 학생들은 학계, 대기업, 국가출연 연구소 등에 다양하게 진출하여 우리나라 과학기술 발전에 중추적인 역할을 하고 있습니다.
저희 연구실은 직접 반도체 소자를 제작 및 평가를 하여 양산화를 위한 혁신적인 공정 기술을 개발하고 있으며 현재 박사과정 5명, 석사과정 4명, 학부 연구생 6명, 총 15명의 학생들이 국내외 다양한 분야의 연구실과 공동 연구 및 정기적인 학회 발표 등을 통하여 자신의 역량을 펼치고 있습니다.

저희 연구실에서는 크게 메모리(1T-DRAM, Flash memory, ReRAM), 바이오 센서, 디스플레이에 관한 연구를 수행하고 있습니다.

 

1. 메모리 분야

1.1. 채널층 구조에 따른 1T-DRAM
1T-DRAM은 하나의 트랜지스터와 하나의 캐패시터로 구성된 기존의 DRAM과 달리 하나의 트랜지스터만으로 이루어지며 캐패시터 영역이 필요하지 않아 복잡한 공정과정이 줄어들어 소자 제작이 용이하며, 더 높은 집적도를 구현할 수 있는 장점이 있습니다.
1T-DRAM은 일반적으로 impact ionization (II) 혹은 gate induced drain leakage (GIDL) 전류로 인하여 생성되는 excess hole이 floating body에 축적되거나 제거됨으로써 트랜지스터의 전류를 변화시킵니다.
이에 따라 전류가 잘 흐르는 “1”상태와 전류가 잘 흐르지 않는 ”0” 상태를 통하여 셀에 저장된 정보를 판단합니다. 현재 저희 연구실에서는 채널층에 사용되는 물질과 조성 비율에 따른 소자의 전기적 특성의 향상 기술을 개발 및 평가 중입니다.
 

1.2. 터널 베리어 엔지니어링 (tunnel barrier engineering, TBE) 플래시 메모리
플래시 메모리는 인가하는 게이트 전압에 의하여 채널층의 전자를 전하 저장층에 주입 또는 방출하는 양에 따라 문턱 전압을 변화시키고 이러한 과정을 통하여 문턱 전압이 높은 경우인 program 상태(“1”)와 낮은 경우인 erase 상태(“0”)를 구별함으로써 메모리의 기능을 구현하는 것입니다.
TBE은 유전상수가 서로 다른 절연막을 적층하여 터널 절연막의 전계에 대한 민감도의 증가를 통해 소자의 특성을 향상시켜 program/erase (P/E) 와 전하 보존 특성 사이에 발생하는 trade-off를 해결할 수 있는 혁신적인 기술입니다.
TBE 기술은 수많은 유수의 SCI 논문 게재와 연구실적을 일궈낸 본 연구실이 보유한 대표적인 기술로써, 다양한 구조와 공정조건에 따른 연구를 수행하고 있습니다.

1.3. High-K 물질 기반의 저항 변화 메모리 (resistive random access memory, ReRAM)
저항 변화 메모리 (ReRAM)는 일반적으로 금속 산화물을 이용한 metal-insulator-metal (MIM) 구조로서 적당한 전기적 신호를 가하면 저항이 큰 상태(high resistance state, HRS)에서 저항이 작은 상태 (low resistance state, LRS)로 바뀌는 메모리 특성이 나타납니다.
ReRAM은 다른 비휘발성 메모리에 비하여 구조가 간단하여 집적도가 높고, 응답속도가 빠르며 구동전압이 낮은 장점을 갖습니다. 저희 연구실에서는 주로 high-k 물질을 필라멘트를 형성하는 스위칭 미디엄으로 사용하고 있으며 물리적 기상 증착법 (physical vapor deposition, PVD)뿐만 아니라 용액 공정을 이용하여 제조하기 어려운 mixed dielectric(ex. HfAlOx, TiAlOx, ZrAlOx 등)을 손쉽게 제조하여 다양한 구조의 소자를 제작 및 평가하고 있습니다.
또한 소자의 불균일한 on/off 스위칭을 해결하기 위하여 전극, 적층 구조, 열처리등을 변화시켜 안정된 동작을 얻기 위한 연구를 수행하고 있습니다.

 

 

2. 바이오 센서 분야

2.1. Field effect transistor (FET) 기반의 센서
‘바이오센서’는 측정 대상물로부터 정보를 얻을 때 생물학적 요소를 이용하거나 생물학적 요소를 모방하여 인식 가능한 신호로 변환시켜주는 시스템입니다. 다양한 바이오 센서 중, FET 기반의 센서는 집적화, 적은 비용, 편리한 휴대 뿐만 아니라 높은 감도를 갖는 특성이 있습니다.
(1) 현재 가장 널리 사용되는 이온 감지 센서인 ion-sensitive field-effect transistor (ISFET)를 이용한 화학 용액의 이온 농도를 측정하는 연구,
(2) 소자의 용액에 대한 화학적 안정성 확보와 소자 제작의 편리성을 위한 extended-gate FET (EGFET) 개발 연구,
(3) Dual-gate (DG) 에서 보여지는 캐패시티브 커플링 현상을 이용한 고감도 센서 개발 연구를 진행하고 있으며,
(4) 실제 바이오 물질의 반응 신호를 검출하기 위한 측정 시스템 구축 및 검증 중에 있습니다. 아래의 그림은 FET 기반의 센서에 대한 연구 내용을 보여주고 있습니다.
 

 

 

 

2.2. Silicon nanowire (SiNW) 기반의 센서

SiNW 는 표면 전하의 작은 양에도 쉽게 반응하기 때문에 바이오 센서로 많은 이점이 있으며 저희 연구실에서는 SiNW 센서의 성능을 최대화하기 위한 연구를 하고 있습니다. 아래 그림은 각기 다른 관점에서 SiNW를 센서에 적용한 사례이며 채널층을 nanowire로 형성하거나 nanowire를 합성하여 막 표면적을 증가시켜 센서에 이용한 방법입니다.

 

 

 

3. 디스플레이 분야

저희 연구실에서는 산화물 반도체를 이용한 디스플레이용 TFT 소자 개발에 주력하고 있습니다. 산화물 반도체는 최근, 미국 Apple사의 최신 제품인 iPad Air에 적용되어 제품의 두께와 무게 및 전력소모를 줄이는 데에 크게 기여하여 많은 관심을 받고 있는 디스플레이용 반도체 입니다.
이러한 산화물 반도체를 증착하는 방법에는, 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

3.1. 진공 장비 기반의 증착방법
전 세계의 많은 연구진에 의해, 다양한 산화물 반도체 재료와 함께, 이를 증착하는 방법에 대해 많은 연구가 진행되고 되고 있습니다. 그 중에서 가장 많이 연구되고 있는 재료는 In(인듐)·Ga(갈륨)·Zn(아연)으로 구성된 산화물이며, 이러한 다원소를 가진 산화물 박막을 얻기 위한 대표적인 방법으로 스퍼터링을 이용한 진공 장비 기반의 증착 방법이 있습니다.

3.2 용액 공정 기반의 증착방법
저희 연구실에서는 용액 공정을 기반으로 하는 증착방법도 연구를 하고 있습니다. 이러한 방법은, 기존의 스퍼터링 방식과 대비해 가격적인 면에서 큰 이점이 있을 뿐만 아니라, 잉크젯 기술과 연동하여, 진공 배기 시간 및 photolithography 과정을 줄일 수 있으며 물질의 조성비를 쉽게 바꿔 제조할 수 있다는 큰 장점이 있습니다.
산화물 반도체는 비정질 실리콘에 비하여 이동도가 우수하고 상대적으로 낮은 온도에서 공정이 진행되기 때문에 유리 기판이나 flexible한 플라스틱 기판에서 구현이 가능하다는 큰 장점이 있습니다. 저희 연구실에서는 이러한 산화물 반도체를 진공 장비 기반의 증착 방식과 용액 공정 기반의 증착 방식을 이용하여 디스플레이용 TFT 소자의 연구개발을 하고 있습니다.
진공 장비 기반의 증착 방식은 In(인듐)·Ga(갈륨)·Zn(아연)과 같이 다원소를 가진 타겟의 스퍼터링을 통한 방법을 이용하고 있으며 이는 CVD 방법과 함께 고 품질의 산화물 박막을 얻기 위해 주로 쓰이는 증착 방법입니다.
최근에는 각기 다른 원소를 가진 power를 용액으로 제조하여 산화막을 증착하는 연구가 주로 이루어 지고 있는데 이러한 증착 방법은 기존의 진공 장비 기반의 증착 방식과 대비해 가격적인 면에서 큰 이점이 있을 뿐만 아니라 공정 스텝 및 시간을 줄일 수 있으며 물질의 조성비를 쉽게 바꿔 제조할 수 있다는 큰 장점이 있습니다.
 

 

 

저희 연구실은 다양한 연구분야에 걸맞게 구성원간의 다양성을 극대화 하기 위하여 소통을 강조합니다. 매월 한 차례 이상 회식을 통하여 구성원들 간에 유대감을 느낄 수 있고, 매년 두 차례 이상 선배와 후배가 함께 모여 선후배 간의 돈독한 정을 느낄 수 있는 자리를 가짐으로써 가족과 같은 분위기에서 연구실 구성원들 간의 원활한 의사소통을 추구하고 있습니다.

이러한 분위기 속에서 지도 교수님과 학생들 간의 미팅과 1:1 면담 등을 통해 세세한 부분까지 교육과 지도가 이루어지고 있으며 열정적인 지도하에 유수의 해외 학회 등에 자신의 연구를 발표할 기회와 전폭적인 지원을 받고 있습니다. 또한 연구 뿐만 아니라 스포츠를 통하여 구성원들이 하나가 될 수 있게 화합을 이끌고, 연구의 바탕이 되는 체력을 기를 수 있는 건강한 분위기에서 글로벌 인재가 되기 위하여 각자의 자리에서 최선을 다하고 있습니다.

 

저희 연구실은 광운대학교 참빛관 지하 104호에 위치하고 있습니다.
연구에 관심과 열정이 있으신 분들에게 저희 연구실은 언제나 열려 있습니다.
■ 주소 :  서울시 노원구 월계동 447-1 광운대학교 참빛관 지하104호
■ 전화 :  82-02-940-5163
■ Homepage : http://nedl.kw.ac.kr
■ E-mail (조원주 교수님) : chowj@kw.ac.kr