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오래 사용해 성능이 떨어진 반도체 부품을 원래 상태로 되돌리는 혁신기술이 개발됐다. 인공지능(AI), 자율주행차 등에 쓰이는 반도체 성능을 높이는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 
포스텍은 이장식 반도체공학과 교수 연구팀이 오랜 사용으로 ‘피로 현상’을 겪는 반도체 부품을 원상태로 복원하는 기술을 개발하고 연구결과를 국제학술지 ‘IEEE 전자소자학회 저널’에 최근 게재했다고 11일 밝혔다. 이번 연구를 주도한 도현서 학생은 반도체공학과 학사·석박사 연계 집중교육과정을 이수 중인 학부 3학년생이다. 
전기가 나가도 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리 이것좀 인 ‘강유전체 메모리’는 차세대 메모리 기술로 주목받고 있다. 반복적인 동작에 따른 기능 저하는 강유전체 메모리 상용화의 장애물이 되고 있다. 사람이 피로를 느끼듯 반도체도 피로 현상으로 성능이 떨어지는 문제가 발생한다. 
연구팀은 반도체의 핵심 부품으로 전기를 저장하는 역할을 하는 장치인 '강유전체 커패시터'에서 일어나는 미세한 변화에 임대 주목했다. 강유전체 커패시터 안에 있는 '산소 빈자리'가 반도체 피로 현상의 핵심 열쇠라는 점을 발견한 것이다. 산소 빈자리는 산소 원자가 빠져나가 생긴 자리로 원자 배열에 결함이 생긴 상태를 의미한다.  



하프늄 기반 강유전체(HZO) 캐패시터 소자의 초기 상태, 피로 상 은행전세보증금대출 태, 회복 상태를 나타낸 모식도. 포스텍 제공.


반도체를 오래 사용하면 양전하를 띠는 산소 빈자리가 한곳에 뭉치게 된다. 사람이 피곤할 때 특정 부위에 통증이 몰리듯 산소 빈자리가 한곳에 뭉치면 반도체 성능이 급격히 떨어진다. 
연구팀은 피로 상태에 있는 반도체에 순간적으로 높은 크로스백 전압을 걸면 반도체 내부 구조가 재정렬되면서 산소 빈자리가 중성 상태로 바뀌고 다시 전체적으로 고르게 분산된다는 것을 확인했다. 연구팀은 반도체가 마치 새것처럼 성능을 회복하는 현상을 ‘회복 상태’라고 명명했다.
연구팀의 기술은 반도체 소자를 오래 사용하면서도 안정적인 성능을 유지하도록 만들 수 있다. 빠른 동작 속도와 신뢰성이 생명인 A 중고차 캐피탈 이자 I, 자율주행차, 사물인터넷기기 등 첨단 기술 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
이장식 교수는 “이번 성과는 강유전체 소재를 이용한 차세대 반도체 개발에 중요한 이정표가 될 것”이라며 “이번 연구는 학부생이 주도적으로 실험을 진행했다는 점에서도 연구의 의의가 있다”고 말했다.
<참고 자료>  doi.org/10.1109/JEDS.2025.3583931
[문세영 기자 moon09@donga.com]