– 피지컬 리뷰 레터스誌 발표, 초고속 실리콘 소자 원천기술 개발

국내 연구진이 반도체 소자기술의 새로운 미래를 여는 세계에서 가장 빠른 실리콘 소자를 가능하게 하는 원천기술개발에 성공하였다. 

염한웅 교수(포스텍 원자선 원자막 연구단장, 44세)의 주도 하에, 김근수 박사, 강명호 교수와 공동으로 진행한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘리더연구자지원 사업(창의적 연구)’의 지원을 받아 수행되었다.

연구 결과는 물리학 분야에서 세계적으로 권위 있는 과학저널인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’誌 6월 18일자에 게재되고, 국제특허출원도 준비하고 있다.
 
염한웅 교수 연구팀은 금속 단원자막과 실리콘의 계면을 활용하여 기존의 실리콘 반도체 소자 속도를 수십 배 이상 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발하는데 성공하였다. 

반도체 소자의 속도는 전기신호를 운반하는 전자의 유효질량에 의해 결정되는데, 유효질량이 작을수록 전하가 빨리 움직여 소자의 속도도 빨라진다.

그러나 전자의 유효질량은 각각의 물질이 가진 고유한 성질로, 학계에서는 유효질량을 제어하는 것은 사실상 불가능하다고 여겨져 왔다. 그리하여 이동통신 등에서 활용되는 고속소자들은 실리콘보다 전자 유효질량이 훨씬 적은 화합물 반도체를 이용해왔다.

우리나라의 실리콘 소자 기술은 선진국에 비해 앞서 있으나, 화합물 반도체를 기반으로 한 고속소자기술은 원천특허의 부족으로 후진국 수준이며, 대부분 수입에 의존하고 있다. 
 
이번에 개발된 원천기술은 학계에서 지금까지 불가능하다고 여긴 실리콘의 유효질량을 1/20이하로 크게 줄이는 전혀 새로운 방법이다.

염한웅 교수팀은 단원자막 두께인 0.3nm(나노미터)의 매우 얇은 금속막을 실리콘과 접합시키면, 금속의 전자와 실리콘 계면의 전자가 서로 영향을 주고받아, 실리콘 전자의 유효질량을 크게 줄인다는 사실을 실험과 이론을 통해 밝혀냈다.
 
일반적인 실리콘 반도체 물질에서 기존의 유효질량보다 1/20이 가벼우며, 초고속으로 움직이는 전자를 발견한 것은 이번이 처음이다.

이와 같이 적은 유효질량에 의해 초고속으로 움직이는 전자는 최근 그래핀(graphene)이라 불리는 탄소 단원자막에서 발견되어 학계와 산업계의 비상한 관심을 불러 모았으나, 기존의 반도체 기술과의 연결이 어려워 상용화가 지연되고 있다.

특히 이번에 측정된 실리콘 전자의 유효질량은 지금까지 알려진 어떠한 화합물 반도체보다 작고, 상용화가 쉬운 실리콘을 활용한다는 점에서, 기존의 고속전자소자를 뛰어넘는 초고성능의 소자를 조기에 실현할 수 있는 중요한 원천기술로 평가된다.
 
염한웅 교수는 “이번 연구성과는 일반적인 실리콘을 기반으로 고속 소자를 만들 수 있는 새로운 길을 열어, 선진국에 비해 앞서 있는 국내 실리콘 소자기술을 활용하여 차세대 고성능 소자 개발 경쟁에서 국제적으로 유리한 위치를 선점하는데 기여할 수 있다”라고 연구 의의를 밝혔다.