KAIST 정류 소자, 세계 최초 "한계 넘었다"
KAIST 정류 소자, 세계 최초 "한계 넘었다"
  • 이민환
  • 승인 2022.08.28 00:51
  • 조회수 2939
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글로벌 반도체 기업별 시장 점유율. 출처: 스태티스타
글로벌 반도체 기업별 시장 점유율. 출처: 스태티스타

반도체 산업 내에서 가장 큰 회사로는 Intel, Samsung Electronics, SK Hynix 및 Micron Technology와 같은 통합 장치 제조업체(IDM)가 있습니다. 한국 기업인 삼성은 2021년에 730억 달러 이상의 반도체 수익을 창출해 세계 반도체 시장에서 가장 큰 점유율을 차지했습니다.

삼성전자는 메모리 부문에서 우위를 점하면서 이전 리더인 인텔을 추월했습니다. 글로벌 반도체 산업에서 주목할만한 다른 회사로는 Qualcomm 및 Nvidia와 같은 팹리스(Fabless) 회사가 있습니다. 팹리스는 Fabrication과 less의 합성어입니다. 제품을 직접 생산하지 않고 설계만 전문적으로 처리합니다. 따라서 이들 회사는 제조 공장(팹)에서 칩을 제조하는 세계 최대 파운드리인 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company)와 같은 파운드리와 긴밀하게 협력합니다.

디지털 기기는 기술이 발전할수록 더 작아지는 게 특징입니다. 기기 안으로 들어가보면 트랜지스터는 소형화되고, 집적도는 꾸준히 증가한다고 말할 수 있겠습니다. 이는 반도체 성능에 직결됩니다. 트랜지스터에서 전류를 10배 증가시키기 위해 필요한 전압의 값이 있습니다. 이걸 SS(Subthreshold Swing)라고 합니다. 열전하 방출(thermionic emission)의 물리적 특성에 따라 제한됩니다. 그간 'SS= 60mV/dec'라는 한계를 뛰어넘는 트랜지스터에 대한 연구가 이루어져 왔던 이유입니다.

하지만 다이오드는 믹서, 셀렉터, 스위치, 광센서, 태양광 소자 등 많은 전자 장비에 쓰임에도 불구하고 열전하 방출에 따른 열적 거동의 한계를 뛰어넘는 '정류 소자'에 대한 연구는 이루어지지 않는 실정입니다.

이런 가운데 KAIST는 물리학과 조성재 교수 연구팀이 기존 흔히 쓰이는 쇼트키 다이오드(Schottky diode)가 갖는 열적 거동의 한계를 뛰어넘는 저전력 정류 소자를 세계 최초로 개발해냈습니다.

 

비결은 그래핀

그래핀의 시대가 다가오고 있습니다. 출처: fotolia
첨단 소재에 주로 사용되는 그래핀. 출처: fotolia

조 교수 연구팀은 단층 흑연, 즉, 그래핀(graphene)이 가지는 선형적 분산 관계의 전자 띠 구조(linear dispersion band structure)를 이용해 열적 거동 한계(thermionic limit)를 극복한 다이오드를 최초로 구현했습니다. 다이오드 전극으로 기존 다이오드에서 활용됐던 금속 대신 그래핀을 활용한 거빈다. 그래핀은 전기와 열 전도율이 우수하고 내구성도 뛰어나 꿈의 소재로 불리는 신소재입니다. 연구팀은 이 같은 조치로 기존 다이오드의 이상지수(ideality factor)의 한계를 뛰어넘는 초 이상적(super-ideal) 저전력 정류 소자를 개발했습니다.

반도체 물질과 금속이 접합됐을 때 두 물질의 계면에서 형성되는 쇼트키 장벽에 의해 정류 현상이 일어나는 쇼트키 다이오드의 성능은 크게 정류비(rectifying ratio)와 이상 지수 (ideality factor)로 나눌 수 있습니다. 정류비란 기기의 '온(on)' 상태와 '오프(off)' 상태 전압의 비를 가리킵니다. 또한 쇼트키 다이오드의 이상 지수는 다이오드의 전류를 10배 증가시키는 데 필요한 전압의 값과 연관된 수치입니다. 열적 거동 한계로 인해 상온에서의 일반적인 쇼트키 다이오드는 이상 지수 1 이상의 값을 반드시 가지는 것으로 알려져 있습니다.

 

출처: Adobe stocks

연구팀은 이번 연구에서 단층의 이황화 몰리브덴에 일함수가 다른 단층 그래핀과 다층 그래핀의 비대칭적 접촉을 통해 계면 문제를 해결한 쇼트키 다이오드를 구현했습니다. 단층의 흑연, 즉, 그래핀은 선형적 분산 관계의 전자 띠 구조를 가집니다. 일반적인 금속과는 달리 에너지에 따라 전하 밀도가 급격히 증감합니다.

이번 연구에서 새롭게 개발한 그래핀 소스를 이용한 디랙 소스(Dirac-source) 다이오드는 넓은 전류 작동범위(1-10,000배 전류 범위)에서 이상 지수의 값이 1 미만을 갖는 열적 거동의 한계를 극복했습니다. 다이오드의 정류비가 1억(108) 이상으로, 기존에 보고되어왔던 다이오드보다 최대 10배 낮은 전압으로도 기존의 다이오드보다 높은 전류의 정류 작동이 가능하다는 점을 입증했습니다. 

연구팀이 1 미만의 이상 지수를 갖는 고성능 저전력 쇼트키 다이오드를 개발한 것은 세계 최초입니다. 2차원 물질 기반의 저전력 다이오드 소자가 미래의 저전력 트랜지스터의 개발과 발맞춰 다양한 저전력 집적회로의 구성이 가능해질 수 있음을 의미합니다.

KAIST 물리학과 조성재 교수는 "이번 연구는 세계 최초로 물리적인 열적 거동 한계를 뛰어넘는 저전력, 고성능의 다이오드 소자를 발명한 것"이라며 "최소한의 전압과 전력으로 태양광 소자나 광검출기와 같은 미래 산업에서의 활용성이 높을 것으로 기대한다"고 말했습니다. 반도체가 들어가는 모든 산업에서 적극 활용될 것으로 본다면 크게 무리가 없을 겁니다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이쳐 커뮤니케이션스 (Nature Communications)' 7월 온라인판에 게재됐습니다.

출처: Dirac-source diode with sub-unity ideality factor


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