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서울시립대 신창환 교수팀, 속도 한계 넘어선 CMOS 반도체 소자 개발
미래 초절전 반도체 기술 시대 앞당길 것으로 기대
 
서울시민신문
▲ 음의 전기용량(negative capacitance)을 구현하기 위하여 강유전체 축전기(ferroelectric capacitor)를 반도체 소자의 게이트 스택(Gate stack)에 연결한 모습.(사진제공=한국연구재단)     © 서울시민신문
미래창조과학부(장관 : 최양희)와 한국연구재단(이사장 : 정민근)은 7월 21일 “국내 연구진이 기존보다 동작속도는 빠르고 구동하는데 필요한 전력은 훨씬 낮은 반도체 소자 기술을 개발했다”고 밝혔다.

서울시립대 신창환 교수(서울시립대), 서울시립대 학·석사연계과정 조재성 연구원 등은 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업으로 이 연구를 수행하였으며, 연구 결과물은 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 나노레터스(Nano Letters) 온라인 판 6월 23일 자(한국시각 6월 24일, 논문명 : Negative Capacitance in Organic/Ferroelectric Capacitor to Implement Steep Switching MOS Devices)에 게재되었다.

이 논문의 제1저자는 서울시립대 학·석사연계과정 조재성 연구원이며, 신창환 교수가 교신저자로 참여했다.

1960년대 이후 반도체 제조공정 기술은 ‘무어의 법칙’에 따라 매 2년 마다 단위면적당 2배의 소자를 집적시키며 눈부시게 발전하였으나 반도체 소자를 구동시키기 위한 전압은 효과적으로 줄이지 못했다. 그 결과 최신 반도체 소자는 단위면적 당 구동에 필요한 전력의 크기가 핵원자로와 비슷한 수준이 됐다. 이로 인한 발열도 심각한 수준이다.

세계 반도체 기술 수준을 비약적으로 도약시키기 위해서는 이미 개발된 반도체 소자 및 제조공정을 그대로 활용하되, 구동전압을 획기적으로 낮추는 기술 개발이 필요하다.

신창환 교수팀은 반도체 소자에서 전하를 모으는 장치인 축전기는 +전극과 -전극 사이에 절연체(전기가 통하지 않는 물질)를 넣어 만들었다. 절연체 대신 강유전체 재료를 넣으면, 축전기의 +전극에 +전압을 걸더라도 어느 정도까지는 반대극성을 띤 -전하가 쌓이는 상태가 된다. 이를 음의 전기용량(Negative Capacitance)상태라고 하며, 이런 상태가 될 수 있는 축전기를 반도체 소자 안에 넣으면 전압을 증폭하여 획기적으로 낮은 전압으로도 반도체 소자를 작동시킬 수 있다. 또한 반도체 소자의 정보 처리 속도를 의미하는 on/off 스위칭 속도의 이론적 한계치를 월등히 극복할 수 있다.

강유전체는 자발적으로 전기적 극성을 가지며 외부 전기장에 의해 극성의 방향이 바뀔 수 있는 물질이다.

연구팀은 ‘음의 전기용량’이 반도체 소자에 미치는 역할을 실험적으로 밝혀 신개념 축전기를 제시했으며, 이번 연구에서는 P(VDF-TrFE)이라는 강유전체를 이용해 ‘음의 전기용량’ 상태를 가지는 축전기를 개발했다.

연구팀은 “‘음의 전기용량’을 구현하여, 축전기로 반도체 소자 내에서 전압을 증폭함으로써, 기존의 1/6 수준의 구동전압으로도 CMOS 반도체 소자(트랜지스터)를 작동시킬 뿐 아니라 물리적 한계로 여겨졌던 60mV/decade보다 3배 이상 빠른 on/off 스위칭 속도(18mV/decade)로 동작을 할 수 있다”고 밝혔다.

이 성과는 10nm이하급 미래 초절전형 CMOS 반도체 기술 개발에 기여하고, 미래 반도체 기술을 선점하여 우리나라 반도체 산업에 크게 기여할 것으로 예상된다.

한편, 이번 연구에 참여한 신창환 교수는 “미래 CMOS 반도체 소자에 음의 전기용량의 적용가능성을 실험적으로 밝힌 이번 연구는 음의 전기용량이라는 새로운 학문분야를 한 단계 진보시켜 의의가 큰 성과일 뿐만 아니라, 반도체 산업의 기술적 도약에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
/ 서울시민신문 인터넷부 엄재성 기자 news@seoulnewspaper.kr/

기사입력: 2015/07/21 [17:23]  최종편집: ⓒ 서울시민신문
 
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