반도체신소재전공 황완식 교수 연구팀이 수행한 산화갈륨(Ga₂O₃) 관련 연구가 세계적인 권위의 미국화학회(American Chemical Society‧ACS)에서 발행하는 SCIE급 국제학술지 ACS Omega의 2025년 5월호(Vol.10, Issue 17) 표지 논문으로 선정되었다. 이번 연구는 아주대학교 조성범 교수 연구팀과의 협업을 통해 수행되었으며, 국방기술진흥연구소와 산업통상자원부의 지원을 받았다.

  연구팀은 ‘Phase Evolution in La-Alloyed β-Ga₂O₃ Nanofibers: Experimental and DFT Simulation Insights (La 도핑 β-Ga₂O₃ 나노섬유의 상변화: 실험 및 시뮬레이션 분석)’이라는 제목의 이번 논문에서, La(란타넘) 원소를 도핑(섞어 넣는 것)하여 베타-산화갈륨(β-Ga₂O₃) 나노섬유의 상변화를 실험하고 DFT(밀도범함수이론) 시뮬레이션을 거쳐 새로운 물질의 특성과 전기적 성능을 확인했다.

  산화갈륨(Ga₂O₃)은 최근 고온·고전압 환경에서도 안정적인 성질을 지닌 ‘와이드밴드갭 반도체’로 주목받고 있는 소재다. 와이드밴드갭이란 전류가 흐를 수 없는 구간(밴드갭)이 넓다는 의미로, 고성능 반도체나 항공우주용 전자소자에 적합하다. 특히 원소를 도핑하면 그 특성이 극적으로 변해, 반도체뿐 아니라 배터리, 촉매, 센서 등 다양한 산업에 응용 가능하다.

  연구 결과에 따르면, 란타넘(La)을 1% 농도로 첨가했을 때는 기존의 β-Ga₂O₃ 상이 안정적으로 유지되었으나, 5% 이상 도핑 시 La₂O₃, Ga₃La₅, La₄Ga₂O₉ 등의 새로운 상이 형성되었다. 특히 Ga₃La₅는 DFT 시뮬레이션 결과, 금속성을 가져 전기적 특성을 향상시킬 가능성이 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 전자소자의 핵심 성능인 ‘전류 흐름의 원활함(낮은 접촉 저항)’을 확보하여 향후 고성능 전력 반도체 소자 개발에 기여할 수 있는 중대한 발견이다.

  황완식 교수는 “이번 연구는 실험과 시뮬레이션을 병행해 산화갈륨의 합금화 메커니즘을 명확히 규명한 사례로, 향후 전력 반도체 소자의 성능을 높이는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다”며, “특히 란타넘(La) 도핑은 캐리어(전하 운반자)의 이동 속도를 높이고 금속 접촉 저항을 낮출 수 있어, 고성능 전자소자에 핵심 기술로 적용될 가능성이 높다”고 전했다.

논문 링크 : https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsomega.4c11050