DGIST권혁준 교수팀, 레이저 기반 산화-도핑 통합 공정 n형 산화티타늄의 p형 전환 실현

DGIST(총장 이건우) 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수 연구팀이 단 한 번의 레이저 공정만으로 반도체의 전도 특성을 전환하는 신개념 기술을 개발했다. 연구팀은 기존에 전자 중심으로만 작동하던 산화티타늄(TiO₂) 을 정공(hole) 중심의 p형 반도체로 바꾸는 데 성공했다.

이번 연구팀이 개발한 'LODI(Laser-Induced Oxidation and Doping Integration)' 기술은 단 한 번의 레이저 조사만으로 산화와 도핑을 동시에 구현할 수 있어, 기존 복잡한 공정을 획기적으로 간소화할 수 있는 새로운 전환 기술로 주목받고 있다.

반도체는 전류를 이동시키는 주된 입자에 따라 두 종류로 나뉜다. n형 반도체는 음전하를 띤 전자가 이동하며 전류를 전달하고, p형 반도체는 전자의 빈자리인 정공이 이동해 전류를 흐르게 한다. 

스마트폰, 컴퓨터 등 대부분의 전자기기는 이 두 가지 성질을 모두 활용하는 CMOS 회로로 작동한다. 따라서 n형과 p형이 모두 구현돼야 효율적인 회로 설계가 가능하다.

한편 산화티타늄(TiO₂)은 독성이 없고, 자원이 풍부하며, 열·화학적 안정성이 뛰어나 '이상적인 반도체 소재'로 꼽혀왔다. 그러나 결정 구조가 매우 안정적이라 정공의 이동이 제한되다 보니, 전자만 전달되는 n형 반도체로만 작동했다. 즉, 성능과 안정성은 우수하지만 '회로의 절반'만 활용할 수 있는 재료였던 것이다.

연구팀은 이런 한계를 해결하기 위해 'LODI(Laser-Induced Oxidation and Doping Integration)' 기술을 개발했다. 이 기술은 레이저 한 번으로 산화(oxidation)와 도핑(doping)을 동시에 수행하는 통합 공정으로, 복잡한 반도체 제조 과정을 단일 단계로 단축한다. 얇은 티타늄(Ti) 금속 박막 위에 알루미늄 산화막(Al₂O₃)을 덮고 레이저를 수 초간 조사하면, 티타늄이 산소와 결합해 산화티타늄(TiO₂)으로 변하면서 알루미늄 이온이 내부로 확산된다. 이 과정에서 전자의 균형이 깨지며 정공(hole) 이 생기고, 결과적으로 전자 대신 정공이 전류를 전달하는 p형 반도체가 형성된다.

기기존에는 산화티타늄 반도체를 p형으로 전환하기 위해, 고온 열처리와 진공 이온 주입 등 수십 시간에 걸친 복잡한 공정이 필요했다. 또한 고가의 장비와 고진공 환경을 요구해 상용화에 제약이 많았다. 반면 LODI 기술은 레이저 한 번, 수 초 만에 동일한 효과를 구현할 수 있으며, 산화·도핑·패터닝이 동시에 가능해 공정 시간과 비용을 획기적으로 줄이는 차세대 반도체 제조 기술이 될 것으로 기대된다.

권혁준 교수는 “이번 연구는 n형 위주로 활용했던 산화티타늄 반도체를 p형으로 전환하면서도, 기존의 복잡한 공정을 단일 레이저 공정으로 압축했다는 점에서 중요한 의미를 갖는다”며, "“특히 이는 산화물 반도체의 전도 유형을 정밀하게 제어할 수 있는 원천기술로서, 차세대 고집적·고신뢰성 소자 구현의 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

한편 본 연구는 과학기술정보통신부 미래개척융합과학기술개발사업 (구 STEAM 사업)과 DGIST 센소리움 연구소 센서 요소기술 개발 R&D 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 2025년 10월 세계적 권위의 학술지 'Small'에 표지 논문(Front Cover)으로 정식 출판됐다.