연세대학교(총장 서승환) 화공생명공학과 조정호 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 CuI (구리요오드화물) 기반 p-type 투명 트랜지스터 전자소자를 개발했다. 이러한 CuI 트랜지스터는 투명 소자의 핵심 반도체로서, 차세대 디스플레이 및 다양한 전자제품에 혁신적인 응용 가능성을 제시하고 있다.

투명 소자의 연구는 수십 년간 계속되어왔으며, 이는 디스플레이 뿐만 아니라 여러 차세대 투명 전자제품의 발전을 촉진할 중요한 기반을 마련할 것으로 기대된다. 현재까지 상용화된 것은 n-type 산화물 반도체인 IGZO(Indium-Gallium-Zinc-Oxide)뿐이며, 투명 로직 회로 등을 가능하게 하기 위해서는 이를 보완하는 투명 p-type 반도체 소자가 필요하다.

CuI는 투명 p-type 반도체 소자로서 이론적으로 뛰어난 성능을 가질 수 있다는 잠재력을 지니고 있다. 그러나 공정 중에 반도체 내부 결함이 많이 발생하여 이론적인 성능에 비해 실제 성능이 떨어지는 문제가 있다. 특히, 강한 휘발성을 가진 요오드 원자가 증발하여 반도체 내부에 요오드 공극을 형성하면 이것이 반도체 내부의 결함으로 작용해 전하의 이동을 방해하는 문제가 있다.

연세대 조정호 교수 연구팀의 연구에서는 용매의 휘발성을 조절하여 CuI 반도체 박막의 형상 제어와 함께 요오드 공극의 양을 제어하였다. 용매의 휘발성에 따라 용액으로 제조한 박막에서 일어나는 결정핵의 생성과 성장의 과정을 제어하여 박막의 형상을 제어할 수 있었다. 이렇게 제어된 형상에 따라 요오드 공극이 생기는 양이 달라지게 되며 이를 미세하게 제어하는데 성공함으로써 CuI 트랜지스터 소자의 성능을 최적화하는데 성공했다.

요오드 공극의 제어와 함께 높은 유전상수를 가지는 이온이 주입된 금속산화물 유전체를 활용하여 트랜지스터 소자의 성능을 끌어올렸다. 이온이 주입된 금속산화물 유전체는 외부에서 전압이 인가되면 이온이 이동하여 전기 이중층을 생성한다. 이렇게 생성된 전기 이중층은 반도체 내부의 전하를 많이 끌어당길 수 있게 해주며, 전하들이 반도체 내의 결함들을 채워주어 전하의 이동을 더 용이하게 만들어주는 효과가 있다.

연세대 조정호 교수는 “CuI 소재의 높은 잠재력을 최대한 끌어내기 위한 투명 p-type 반도체 소재에 대한 연구를 통해 다양한 차세대 투명 전자제품의 개발이 가능해질 것으로 기대된다"고 설명했다. 이는 향후 투명 전자제품의 혁신적인 발전을 이끌어낼 것으로 전망된다.

이번 연구는 한국연구재단과 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT)의 지원으로 조정호 교수 연구팀의 권용현 연구원(제1저자)과 성균관대 조새벽 교수(공동교신저자)가 함께 진행했으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘어드밴시드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 11월 3일자(현지시간)로 게재됐다.

Yonsei University's Department of Chemical and Biomolecular Engineering, under the leadership of Professor Jeong Ho Cho, has successfully developed the world’s highest-performing p-type transparent transistor electronic component based on CuI (copper monoiodide). These CuI transistors serve as crucial semiconductors in transparent devices, holding promising applications for next-generation displays and various electronic products.

Research on transparent electronics has been ongoing for decades, laying a vital foundation not only for displays but also for the advancement of various next-generation transparent electronic devices. Currently, the only commercially available material is the n-type oxide semiconductor IGZO (Indium-Gallium-Zinc-Oxide), necessitating the development of complementary p-type semiconductor components for transparent logic circuits and other functionalities.

CuI demonstrates theoretical excellence as a transparent p-type semiconductor. However, during the manufacturing process, the semiconductor often exhibits internal defects, leading to a performance gap compared to its theoretical capabilities. Particularly, the evaporation of highly volatile iodine atoms, forming iodine vacancies within the semiconductor, hampers the movement of charge carriers.

In the research led by Professor Jeong Ho Cho's team at Yonsei University, the control of solvent volatility was employed to manage both the morphology of the CuI semiconductor film and the quantity of iodine vacancies. By regulating the process of nucleation and growth of crystals in the solution-processed film based on solvent volatility, the team successfully controlled the film's morphology. This precise control influenced the amount of iodine vacancies, optimizing the performance of CuI transistors.

In conjunction with iodine vacancy control, the team enhanced the performance of the transistors by utilizing a metal oxide dielectric with a high dielectric constant, infused with ions. When an external voltage is applied, these ions move, creating an electrical double layer. This generated electrical double layer attracts substantial amount of charge carriers within the semiconductor, effectively filling defects and facilitating the movement of charges.

Professor Jeong Ho Cho expressed optimism, stating, "Through research on transparent p-type semiconductor materials, unlocking the high potential of CuI, we anticipate the development of various next-generation transparent electronic products." This breakthrough is poised to drive innovative advancements in transparent electronic products in the future.

Supported by the Korea Research Foundation, the Ministry of Trade, Industry and Energy, and the Korea Evaluation Institute of Industrial Technology (KEIT), this collaborative research involved Yong Hyun Kwon, a researcher in Professor Jeong Ho Cho's team, and Professor Sae Byeok Jo of Sungkyunkwan University as a co-corresponding author. The findings were published in the prestigious scientific journal 'Advanced Materials' on November 3rd (local time).

Advanced Materials (2023) (IF: 32.086)
Published: November 03, 2023
https://doi.org/10.1002/adma.202307206