서울시립대학교(총장 원용걸) 지능형반도체전공 김태완 교수 연구팀이 성균관대학교 박성준 교수 연구팀, 전북대학교 배학열 교수 연구팀, 한국원자력연구원 창업기업 큐빔솔루션(대표 정봉기)과 공동 연구를 통해 차세대 반도체의 우주 환경 신뢰성을 규명하는 데 성공했다. 공동으로 수행한 연구 논문 “Dynamic Probing of Neutron-Induced Reliability Degradation in MoS₂and WS₂Transistors”가 세계적 권위의 재료·나노과학 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재됐다.

*논문링크:　https://doi.org/10.1021/acsami.6c06775

이번 연구는 차세대 우주·항공·극한환경 전자소자로 주목받는 2차원 전이금속 칼코게나이드(2D TMD) 반도체 트랜지스터의 중성자 조사 환경 신뢰성 저하 메커니즘을 실험적으로 규명한다. 2D TMD 반도체는 원자층 두께의 얇은 구조와 우수한 전기적 특성으로 차세대 초저전력·고집적 반도체의 핵심 소재로 기대되고 있으나, 우주 방사선 환경에서의 중성자 내성 및 열화 원인에 대한 체계적 연구는 상대적으로 부족했다.

연구팀은 대표적인 2D 반도체 소재인 MoS₂및 WS₂기반 전계효과트랜지스터(FET)에 평균 에너지 2.2 MeV의 중성자를 조사하고, 조사 전후 및 조사 중 실시간 전기적 특성 변화를 정밀 분석했다. 특히 큐빔솔루션의 중성자원을 이용해 10⁶–10⁹ n/cm²수준의 중성자 플루언스 조건을 구현했으며, 이는 장기간 우주 환경에서 누적될 수 있는 방사선 노출 조건과 관련성이 높은 저선량 영역이라는 점에서 의미가 크다.

연구 결과, 중성자 조사 후 MoS₂와 WS₂ 소자 모두에서 온전류 감소, 이동도 저하, 문턱전압 변화, 서브스레시홀드 스윙 증가 등 뚜렷한 전기적 성능 열화가 관찰됐다. 특히 WS₂소자는 가장 낮은 조사 조건에서도 온전류가 크게 감소하는 등 MoS₂에 비해 훨씬 높은 중성자 취약성을 보였다. 이는 WS₂내 구성 원소와 중성자 간 상호작용으로 인해 더 큰 에너지 전달과 결함 생성이 발생하기 때문으로 분석됐다.

특히 이번 연구는 중성자 조사 중 소자의 전기적 특성을 실시간으로 측정하는 in situ 분석을 수행했다는 점에서 기존 연구와 차별화된다. 실시간 측정 결과, MoS₂소자는 비교적 안정적인 특성을 유지한 반면 WS₂소자는 조사 초기부터 빠른 성능 저하를 나타냈으며, 이는 두 소재 간 중성자 민감도 차이가 소자 구동 환경에서도 그대로 반영됨을 보여준다. 이러한 결과는 실제 우주·항공 환경에서 2D 반도체 소자의 신뢰성을 평가하기 위해서는 조사 후 분석뿐 아니라 동작 중 실시간 분석이 필수적임을 시사한다.

서울시립대 김태완 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체 소자의 중성자 유도 열화 현상을 채널, 계면, 산화막, 접촉부 전반에 걸쳐 종합적으로 규명한 데 의의가 있다”며, “우주·항공·국방 및 극한환경 전자시스템에 적용 가능한 방사선 내성 2D 반도체 설계 전략을 제시한 중요한 기반 연구”라고 밝혔다.

공동연구진은 이번 성과가 차세대 AI 반도체, 우주 전자소자, 저전력 고신뢰성 반도체 기술 개발에 중요한 설계 지침을 제공할 것으로 기대하고 있다. 특히 2차원 반도체의 대표적 소재인 MoS₂와 WS₂의 중성자 민감도 차이를 명확히 제시함으로써, 향후 소재 선택, 소자 구조 최적화, 방사선 차폐 및 결함 제어 공정 개발에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

이번 성과는 원자층 반도체의 방사선 신뢰성 한계를 정밀하게 규명한 연구로서, 차세대 우주·AI·초저전력 반도체 기술의 실현을 앞당기는 중요한 이정표로 평가된다.

본 연구는 과학기술정보통신부가 추진하고 과학기술사업화진흥원이 지원하는 딥사이언스 창업 활성화 지원사업, 한국연구재단이 지원하는 나노·소재기술개발사업, 교육부 반도체특성화대학 사업 등의 지원을 받아 수행되었다.