원자력硏, 우주항공용 나노반도체 ‘내방사화’ 기술 개발

우주방사선의 80% 이상을 차지하는 양성자에 대한 반도체 내방사화 기술이 국내에서 개발됐다.

우주에는 다수의 방사선이 다량 존재하고, 방사선은 반도체를 사용하는 제품의 고장을 유발하는 원인 중에 30% 이상 비중을 차지한다. 이는 방사선을 견디는 내방사화 기술이 차세대 우주항공용 반도체 개발 과정에서도 중요하게 여겨지는 이유다.

(왼쪽부터) 원자력연 이용수 박사(제1저자)·강창구 박사(교신저자), 포항공과대 이병훈 교수(교신저자). 한국원자력연구원 제공

한국원자력연구원(원자력연) 첨단방사선연구소는 방사선융합연구부 강창구 박사팀과 포항공대 이병훈 교수팀이 공동연구를 진행해 나노반도체 오류를 대폭 억제한 내방사화 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

공동연구팀이 개발한 내방사화 기술은 반도체 표면을 외부와 물리적으로 분리, 대기 중 물과 산소 등을 차단하는 패시베이션(Passivation) 층을 쌓아 양성자에 의한 나노반도체 오류를 억제한다.

물질을 기체 상태로 만들어 표면에서 화학반응으로 얇게 쌓는 원자층 증착 방식을 활용해 산화아연(ZnO) 기반의 나노반도체 표면에 10㎚ 두께의 산화알루미늄(Al2O3) 패시베이션 층을 쌓는 방식이다.

공동연구팀은 패시베이션 층을 적용한 반도체와 그렇지 않은 반도체 모두에 양성자가속기로 양성자를 조사하고, 전기적 특성 변화를 비교 분석한 결과 패시베이션 층이 양성자 조사에 따른 반도체의 전기적 특성 변화를 매우 효과적으로 억제하는 것을 확인했다.

우주항공용 나노반도체 내방사화 기술 모식도. 한국원자력연구원 제공

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

비교 분석에서 패시베이션 층으로 보호받는 반도체는 그렇지 않은 반도체보다 양성자 조사 후 문턱전압 변화는 60%, 이력현상 지수와 스트레스 지수 변화는 90%가 각각 감소했다. 특히 노이즈값은 양성자 조사 후에도 변하지 않은 것으로 확인됐다.

우주방사선의 대부분을 차지하는 양성자로부터 반도체를 효과적으로 보호할 수 있는 기술적 기반이 마련된 것으로, 공동연구팀은 개발한 기술이 향후 차세대 우주항공용 나노반도체의 내방사화 시스템 구현에 핵심기술로 활용될 것으로 기대한다.

공동연구팀은 반도체 내방사화 기술의 세부적인 메커니즘 규명을 위한 방사선 영향평가 분석시스템을 고도화하고, 다양한 회로 수준에서 내방사선 반도체 연구를 지속해 나갈 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 이공분야 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노컨버전스(Nano Convergence)’ 1월호에 게재됐다.

정병엽 원자력연 첨단방사선연구소장은 “공동연구팀이 개발한 기술은 차세대 나노반도체에 원자층 증착 방식으로 패시베이션 층을 쌓고, 실제 내방사선 효과까지 검증한 사례라는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr