요약
저전력·고속 터절 전계 효과가 있는 트랜지스터가 개발됐습니다. 구팀은 2차원 물질인 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 두 물질의 접합이 아닌 단일 물질의 두께 차이에 의한 이종접합 터널을 제작했습니다. 다른 물질로 제작한 이종접합 트랜지스터에서 발생했던 격자 불균형, 결함, 계면 산화 등의 문제를 해결할 수 있어 고성능 터널 트랜지스터의 개발이 가능합니다.
KAIST 물리학과 조성재 교수 연구팀이 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET) 대비 작동 전력 소모량이 10배 이상, 대기전력 소모량이 1만 배 가까이 적은 저전력, 고속 트랜지스터를 개발했습니다.
조성재 교수 연구팀은 2차원 물질인 흑린(black phosphorus)의 두께에 따라 밴드갭이 변하는 독특한 성질을 이용해 두 물질의 접합이 아닌 단일 물질의 두께 차이로 인한 이종접합 터널을 제작하는 데 성공했습니다. 이러한 단일 물질의 이종접합을 터널 트랜지스터에 활용하면 서로 다른 물질로 제작한 이종접합 트랜지스터에서 발생했던 격자 불균형, 결함, 계면 산화 등의 문제를 해결할 수 있어 고성능 터널 트랜지스터의 개발이 가능합니다. 이번 연구는 <Nature Nanotechnology>에 게재됐습니다.
저전력·고속 처리 가능한 비메모리 반도체 기술 만들려면?!
무어 법칙에 따른 트랜지스터 소형화 및 집적도 증가는 현대의 정보화 기술을 가능하게 했지만 최근 트랜지스터의 소형화가 양자역학적 한계에 다다르면서 전력 소모가 급격히 증가해 이제는 무어 법칙에 따라 트랜지스터 소형화가 진행되지 못하는 상황입니다. 최근에는 자율주행차, 사물인터넷 등의 등장으로 많은 양의 데이터를 저전력, 고속으로 처리할 수 있는 비메모리 반도체의 기술 발달이 시급한 실정입니다.
트랜지스터의 전력 소모는 크게 작동 전력 소모와 대기 전력 소모로 나뉩니다. 작동 전력과 대기 전력을 같이 낮추기 위해서는 트랜지스터의 작동 전압과 대기 상태 전류를 동시에 낮추는 것이 필수적입니다. 트랜지스터의 전력 소모는 크게 작동 전력 소모와 대기 전력 소모로 나뉩니다. 작동 전력과 대기 전력을 같이 낮추기 위해서는 트랜지스터의 작동 전압과 대기 상태 전류를 동시에 낮추는 것이 필수적입니다.
이를 위해서는 전류를 10배 증가시키는 데 필요한 전압으로 정의되는 SS 값(subthreshold swing, 단위: mV/decade = mV/dec)의 감소가 필요합니다. 그런데 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터에서는 SS 값이 상온에서 60 mV/dec 이하로 낮아질 수 없습니다. 이를 해결하기 위해서는 상온에서 SS 값을 60 mV/dec 이하로 낮출 수 있는 새로운 트랜지스터의 개발이 필요한 상황입니다.
흑린 (black phosphorus)에서 답을 찾다
이전에 개발되었던 낮은 SS를 가지는 저전력 터널 트랜지스터의 경우 트랜지스터 채널을 구성하는 두 물질의 이종접합 계면에서 산화막 등의 문제가 발생해 작동 상태에서 낮은 전류를 가지는 문제가 있었습니다. 작동 상태 전류는 트랜지스터 작동속도에 비례하기 때문에 낮은 작동 상태 전류는 저전력 트랜지스터의 경쟁력을 떨어뜨립니다.
본 연구에서는 두 물질의 결합 대신 흑린(black phosphorus)의 두께 변화로 단일물질 이종 접합(heterojunction)을 터널링 전계효과 트랜지스터(TFET)의 채널(channel)로 구성해 두 물질의 이종접합 계면에서 발생하는 문제를 해결했습니다.
흑린은 두께에 따라 밴드갭의 크기가 단층막(monolayer)에서 2.0eV부터 벌크(bulk)에서 0.3eV로 크게 변하는 독특한 물성을 지닙니다. 본 연구에서 새롭게 개발한 흑린 두께변화로 channel을 구성한 HJ-TFET에서 4 decade 전류 범위에서 SS평균을 이제까지의 저전력 트랜지스터 중 가장 낮은 24mV/dec의 값까지 달성했고 I60도 0.6-1μA/μm로 MOSFET을 대체할 수 있는 저전력 트랜지스터의 필요조건에 근접하는 값을 구현했습니다.
조성재 교수 연구팀이 적은 전력 소모를 위한 낮은 SS 값과 고속 작동을 위한 높은 작동 상태 전류를 단일 트랜지스터에서 동시에 달성한 것은 유례없는 일입니다. 2차원 물질 기반의 저전력 트랜지스터가 기존의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 전력 소모 문제를 해결하고 궁극적으로 기존 트랜지스터를 대체하고 미래의 저전력 대체 트랜지스터가 될 수 있음을 의미합니다.
조성재 교수는 "이번 연구는 기존의 어떤 트랜지스터보다 저전력, 고속으로 작동해 실리콘 기반의 CMOS 트랜지스터를 대체할 수 있는 저전력 소자의 필요충분조건을 최초로 만족시킨 개발"이라며 "대한민국 비메모리 산업뿐 아니라 세계적으로 기초 반도체 물리학 및 산업 응용에 큰 의의를 지닌다"고 말했습니다.
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