【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST(총장 이건우) 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수 연구팀이 단 한 번의 레이저 공정만으로 반도체의 전도 특성을 전환할 수 있는 신개념 반도체 전환 기술을 개발했다. 연구팀은 기존에 전자 중심으로 작동하던 산화티타늄(TiO₂) 을 정공(hole) 중심의 p형 반도체로 바꾸는 데 세계 최초로 성공했다.

▲ 연구 결과는 세계적 권위 학술지 'Small'의 표지 논문으로 출판됐다  © DGIST

연구팀이 개발한 ‘LODI(Laser-Induced Oxidation and Doping Integration)’ 기술은 단 한 번의 레이저 조사로 산화(oxidation)와 도핑(doping)을 동시에 구현할 수 있는 공정으로, 기존의 복잡하고 장시간이 소요되는 반도체 제조 과정을 단일 단계로 혁신적으로 단축했다.

반도체는 전류를 전달하는 입자에 따라 전자(e⁻) 가 이동하는 n형과, 정공(h⁺) 이 이동하는 p형으로 구분된다. 대부분의 전자기기 회로는 두 가지 성질을 모두 활용하는 CMOS 구조로 구성돼 있어, n형과 p형의 동시 구현이 필수적이다.

산화티타늄(TiO₂)은 안정성과 내구성이 뛰어나 이상적인 반도체 소재로 꼽혀왔지만, 결정 구조가 매우 안정적이어서 정공의 이동이 어렵다는 한계 때문에 n형으로만 작동해왔다.

DGIST 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 얇은 티타늄(Ti) 금속 박막 위에 알루미늄 산화막(Al₂O₃) 을 덮은 뒤, 레이저를 수 초간 조사하는 방식의 LODI 공정을 개발했다. 이 과정에서 티타늄이 산화되어 산화티타늄(TiO₂)으로 변하면서 알루미늄 이온이 내부로 확산되고, 전자의 균형이 깨져 정공(hole)이 생성된다. 결과적으로 전류가 정공을 통해 이동하는 p형 산화티타늄 반도체가 완성된다.

기존 방식은 고온 열처리와 고진공 이온 주입 등 복잡한 다단계 공정이 필요해 상용화가 어려웠지만, LODI 기술은 레이저 한 번, 수 초 만에 동일한 효과를 구현할 수 있다. 산화·도핑·패터닝을 동시에 수행할 수 있어 공정 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 기술로 평가된다.

권혁준 교수는 “이번 연구는 기존에 n형으로만 활용되던 산화티타늄을 p형으로 전환함과 동시에, 복잡한 제조 공정을 단일 레이저 공정으로 단축한 점에서 큰 의미가 있다”며, “이는 산화물 반도체의 전도 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 원천기술로, 차세대 고집적·고신뢰성 반도체 소자 개발의 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 미래개척융합과학기술개발사업(구 STEAM 사업) 과 DGIST 센소리움 연구소 센서 요소기술 개발 R&D 사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 세계적 권위의 학술지 「Small」 2025년 10월호에 표지 논문(Front Cover) 으로 게재됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

DGIST Successfully Switches Semiconductor Conductivity with a Single Laser Pulse

A research team led by Professor Kwon Hyuk-jun of the Department of Electrical, Electronic, and Computer Engineering at DGIST (President Lee Kun-woo) has developed a novel semiconductor conversion technology capable of switching the conductivity of semiconductors with a single laser pulse. The research team achieved the world's first success in converting titanium dioxide (TiO₂), which previously operated electron-centrically, into a hole-centric p-type semiconductor.

The "LODI (Laser-Induced Oxidation and Doping Integration)" technology developed by the research team is a process that simultaneously performs oxidation and doping with a single laser pulse, dramatically shortening the complex and time-consuming semiconductor manufacturing process into a single step.

Semiconductors are classified into n-type, where electrons (e⁻) move, and p-type, where holes (h⁺) move, depending on the type of particle carrying the current. Most electronic circuits utilize the properties of both CMOS structures, making the simultaneous implementation of both n-type and p-type semiconductors essential.

Titanium oxide (TiO₂) has been considered an ideal semiconductor material due to its exceptional stability and durability. However, its highly stable crystal structure hinders hole transport, limiting its operation to n-type operation.

To overcome this limitation, the DGIST research team developed a laser-assisted induction (LODI) process. This process involves covering a thin titanium (Ti) metal film with an aluminum oxide (Al₂O₃) layer and irradiating it with a laser for several seconds. During this process, the titanium oxidizes into titanium oxide (TiO₂), causing aluminum ions to diffuse internally. This disrupts the electron balance and creates holes. This results in a p-type titanium oxide semiconductor, through which current flows via the holes.

Conventional methods require complex, multi-step processes, such as high-temperature heat treatment and high-vacuum ion implantation, making commercialization difficult. However, LODI technology can achieve the same effect in a single laser pulse in a matter of seconds. It is considered a next-generation technology that can dramatically reduce process time and costs by simultaneously performing oxidation, doping, and patterning.

Professor Kwon Hyuk-jun stated, "This research is significant in that it converts titanium dioxide, previously used only as n-type, to p-type, while simultaneously shortening the complex manufacturing process to a single laser process." He added, "This is a fundamental technology that enables precise control of the conductivity characteristics of oxide semiconductors and will serve as the foundation for the development of next-generation, highly integrated, and highly reliable semiconductor devices."

This research was supported by the Ministry of Science and ICT's Future Pioneering Convergence Science and Technology Development Project (formerly the STEAM Project) and the DGIST Sensorium Research Institute's Sensor Element Technology Development R&D Project. The research findings were published as the front cover article in the October 2025 issue of the world-renowned academic journal "Small."