최근 웨어러블 디바이스, 플렉서블 디스플레이, 스마트 센서, 무선 통신 등과 같이 높은 유연성을 요구하는 차세대 광·전자·디스플레이 제품 개발 수요가 급증하면서, 이에 적용 가능한 고성능 플렉서블 (유연) 전자 소자의 개발이 요구되고 있다.

특히, 비정질 실리콘, metal oxide, organic material, graphene, 2D material 등 다양한 채널 물질을 사용한 다양한 전자 소자 및 광소자 관련 연구가 전 세계적으로 발표되고 있다.

화합물 반도체는 다양한 두 종류 이상의 원소로 구성된 반도체로 원소의 구성에 따라 다양한 물성 특성이 나타나기 때문에, 전자 소자와 광소자에 다양하게 응용이 가능한 물질이다. 특히, 화합물 반도체 중 가장 익숙한 물질로는 질화갈륨 (GaN), 탄화규소 (SiC) 반도체가 있는데, 현재 차세대 전력 반도체로 이미 큰 시장을 형성하고 있고, 5G 이동통신, 무선·고속 충전기, 전기자동차 관련 부품 등으로 사용 분야가 확대될 것으로 예측되어 국내뿐만 아니라 세계적으로 대규모 투자가 계속 진행되고 있다.

이외에 InGaAs (인듐갈륨비소) III-V (3-5족) 화합물 반도체는 우수한 전자 이동도 특성을 보유하고 있어, InGaAs 채널을 이용한 고전자이동도트랜지스터 (HEMT) 구현을 통해 테라헤르츠 (terahertz)에 육박하는 세계에서 가장 빠른 전자 소자 연구 결과가 발표되었고, 이런 우수한 InGaAs HEMT 소자 구현을 통해 6G 이동통신 및 양자 컴퓨터 부품에 적용하기 위해 활발히 연구가 진행되고 있다.

하지만, InGaAs 반도체가 초고속 전자 소자 및 통신 소자 등에 다양하게 활용되고 있으나, 이전까지 III-V 화합물 반도체 기판상에 제작된 화합물 반도체를 유연 기판 위에 전사하는 방식이 복잡하고 어렵기 때문에 플렉서블 화합물 반도체를 유연 기판에 전사하는 새로운 방식이 필요하다.

의 신승헌 교수는 텍사스 주립대 박상은 박사, 한국폴리텍대학 김도균 박사, 한국나노기술원 신찬수 박사팀과 이런 문제를 해결하기 위해 폴리이미드 용액 (Liquid Polyimide, LPI)을 제작된 InGaAs 전계효과트랜지스터 (MOSFET) 소자에 코팅하여 경화 시킨 후 III-V 화합물 반도체 기판을 제거하여 유연 기판 위에 전사 후 플렉서블한 고성능 전자 소자를 제작하였다.

특히, 기존에 화합물 반도체를 유연 기판에 전사하기 위해 PDMS (polydimethylsiloxane), SU-8 resist와 같은 물질을 이용한 본딩 방식보다 공정을 간소화하였고, 공정의 간소화를 통해 소자 수율을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또, 강도 높은 구부림 (bending) 테스트를 통해 소자의 전기적인 특성이 유지되는 것을 실험적으로 증명하였다.

이 결과는 IEEE Electron Device Letters 2022년 6월에 논문을 게재하였다. 기존 방식보다 간단하고 안정적인 방식으로 유연 기판 위에 InGaAs MOSFET을 구현한 본 결과는 다양한 광·전자·디스플레이 소자에 충분히 활용 가능할 것으로 기대되고 있다.