KAIST, 반도체 성능 망치는 ‘숨은 결함’ 1,000배 더 찾아낸다

포토홀 측정 확장으로 전자 트랩·전하 수송 특성 동시 분석… 메모리·태양전지 성능 평가 정밀화

반도체 소자의 성능 저하와 수명 단축의 원인으로 지목돼 온 ‘전자 트랩(숨은 결함)’은 그 존재를 정확히 포착하기 어렵다는 점에서 오랫동안 공정 최적화의 걸림돌로 남아 있었다. KAIST와 IBM 공동 연구진이 이러한 한계를 정면으로 돌파하며, 기존보다 약 1,000배 높은 민감도로 전자 트랩을 검출할 수 있는 새로운 분석 기법을 제시했다.

KAIST는 신소재공학과 신병하 교수와 미국 IBM T. J. Watson Research Center의 Oki Gunawan 박사 공동 연구팀이 반도체 내부에서 전자의 이동 특성과 전자 트랩을 동시에 정량 분석할 수 있는 확장형 포토홀(photo-Hall) 측정 기법을 개발했다고 1월 8일 밝혔다.

반도체 내부에는 전자를 포획해 이동을 방해하는 전자 트랩이 존재할 수 있으며, 이는 누설 전류 증가와 성능 저하로 직결된다. 기존 결함 분석 기법은 접합 구조 제작이 필요하거나, 결함 특성과 전하 수송 특성을 서로 다른 실험으로 나눠 분석해야 하는 한계를 지녀 왔다. 연구팀은 오래전부터 사용돼 온 Hall 측정법에 빛과 온도 조건을 결합해, 하나의 측정 틀에서 전하 수송과 결함 특성을 동시에 분석하는 방법을 고안했다.

연구진이 제안한 기법은 포토홀 측정을 한 단계 확장한 ‘전하 수송·트랩 특성 분석 포토홀(CTRPH)’ 방식이다. 빛의 세기를 점진적으로 변화시키면, 초기에는 광생성된 전자들이 전자 트랩에 먼저 포획되고, 이후 트랩이 채워지면 자유 전자들이 이동하게 된다. 이 과정에서 나타나는 전도도와 포토홀 전도도의 비선형 관계를 분석함으로써, 전자 트랩의 밀도와 에너지 준위를 정량적으로 추출할 수 있다.

이 방법의 강점은 단일 측정으로 이동도, 캐리어 밀도, 재결합 수명 등 전하 수송 특성은 물론, 전자의 이동을 방해하는 트랩의 특성까지 함께 파악할 수 있다는 점이다. 연구팀은 해당 기법을 실리콘 반도체와 차세대 태양전지 소재로 주목받는 할라이드 페로브스카이트 박막에 적용해, 기존 방법으로는 검출이 어려웠던 매우 낮은 결함 밀도까지 정밀하게 분석하는 데 성공했다. 이는 기존 기술 대비 약 1,000배 향상된 민감도를 확보했다는 의미다.

신병하 교수는 이번 연구가 반도체 안에서 전기의 흐름과 이를 방해하는 요인을 하나의 측정으로 동시에 분석할 수 있는 새로운 도구를 제시했다고 설명했다. 그는 메모리 반도체와 태양전지뿐 아니라 다양한 전자소자의 성능과 신뢰성을 높이는 데 핵심적인 분석 기술로 활용될 수 있을 것이라고 밝혔다.

이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 박사과정 김채연 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 『Science Advances』 2026년 1월 1일 자로 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

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