연구성과

창의IT 백창기 교수팀, 차세대 초저전력 실리콘 기반 트랜지스터 개발

2017-02-01622

[코어-셸 나노선 구조와 터널링 방식의 동작 원리 통한 초저전력・고성능 트랜지스터 개발]

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누구나 하나쯤은 가지고 있는 스마트폰이나 노트북, 태블릿PC등의 휴대용 전자기기를 더 오래 사용할 수 있도록 하는 차세대 초저전력 트랜지스터¹*가 개발됐다.

창의IT융합공학과 백창기 교수, 미래IT융합연구원 윤준식 박사, 김기현 박사 연구팀은 기존 학계에서 발표된 실리콘 나노선 터널링²* 트랜지스터보다 대기전력을 줄일 수 있으면서 최소 3배 이상 더 빠른 동작속도를 자랑하는 코어-셸³* 수직 실리콘 나노선 터널링 트랜지스터를 개발했다. 이 기술은 기존의 반도체 설비를 이용할 수 있어 제작 단가를 낮출 수 있을 뿐 아니라, 대량 생산도 가능할 것으로 기대된다.

전류나 전압흐름을 조절하는 신호 증폭, 스위치 역할을 하는 트랜지스터는 전자기기의 성능을 좌우하는 스마트폰의 AP나 노트북의 CPU 등에 들어가는 핵심 소자다.
그 중 터널링 트랜지스터는 기존 트랜지스터의 동작과 달리 얇은 에너지 장벽을 통과하는 터널링 방식으로 동작하기 때문에 전력 소모를 줄일 수 있다는 장점이 있어 많이 연구되어 왔다. 하지만 전자의 통과를 방해하는 높은 에너지 장벽과 제한된 터널링 면적으로 인한 작은 동작 전류로 성능을 향상시키기가 어렵다는 단점이 지적되어 왔다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 실리콘 터널링 트랜지스터를 기반으로 단순한 수직 나노선 대신 코어-셸 구조를 나노선에 도입하였다. 이를 통해 에너지 장벽을 효과적으로 제어하고 터널링 면적을 더 넓게해 휴대용 전자기기의 대기전력을 줄이면서도 성능을 향상시킬 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 이번 연구로 차세대 저전력, 고성능 로직소자 기술을 개발했다는데 큰 의미가 있다고 설명했다. 특히, 이 기술은 국내 실리콘 반도체 공정 기술인 탑다운(Top-down) 방식을 그대로 적용할 수 있어 제작 단가를 낮추면서도 대량생산이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 연구팀은 실리콘 소재를 기반으로 신기술개발과 산업화에 목표를 두고 지속적으로 연구하고 있다. 이번에 발표한 코어-셸 나노선 터널링 트랜지스터를 포함하여 에너지 변환 신기술인 나노선 태양전지(Solar cell) 및 열전소자(Thermoelectric device), 바이오 센서(Bio-sensor) 및 나노선 광소자(Photo-detector), 나노선 레이저(laser diode) 등 실리콘 나노선과 어레이 제작기술을 중심으로 한 다수의 원천특허를 보유하게 되어 향후 미래기술에 다양하게 접목시킬 수 있는 상용화 연구에 기반을 마련하게 됐다.

연구를 주도한 백창기 교수는 “실리콘 나노 원천 기술이 향후 국가경쟁력을 제고하는데 기여할 것”이라며 “기존 반도체 분야 뿐 아니라 신에너지, 미래자동차 및 의료·환경용 센서 등 다양한 미래 유망 신산업에 접목시킬 수 있다”고 말했다.

한편 이번 연구는 ‘네이처’의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’지를 통해 발표됐다.


1. 터널링(Tunneling)
양자 역학에서 원자핵을 구성하는 핵자가 그것을 묶어 놓은 핵력의 포텐셜 장벽보다 낮은 에너지 상태에서도 확률적으로 원자 밖으로 튀어 나가는 현상

2. 트랜지스터(Transistor)
반도체를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로 구성요소로서 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭, 스위치 역할을 한다.

3. 코어-셸(Core-shell)
나노선 중심부 및 중심부를 둘러싸는 주변부로 이루어진 나노 구조체