미래창조과학부는 국내 연구진이 실리콘 반도체의 전자가 초고주파 테라헤르츠(THz) 대역에서 진동을 보이며 기존의 전자이동 속도보다 10~100배 빠르게 이동할 수 있다는 연구결과를 세계 최초로 제시했다고 19일 밝혔다.
기존 실리콘으로는 전자가 기가헤르츠 주파수 이상은 불가능하다고 여겨져 왔다. 테라헤르츠 주파수는 현재 상용화된 기가헤르츠(GHz) 대역의 1000배에 이르는 초고주파 대역으로 1초에 1조번 진동한다. 이 실리콘 반도체의 한계로 현재의 전자제품들은 기가헤르츠 대역까지만 주파수를 이용할 수 있었고, 반도체 신소재 개발은 비용적인 문제로 도입이 어려웠다.
울산과학기술대학교(UNIST) 김경록 교수 연구팀은 미래부가 추진하는 ‘미래유망융합기술파이오니어사업’의 지원으로 이번 연구를 진행했다. 이번 연구결과는 세계적 권위의 국제전기전자공학회(IEEE) 주관 나노테크놀로지 학회(IEEE-NANO)에서 ‘차세대 나노전자소자’ 분야 우수논문으로 발표될 예정이다.
연구팀은 기존 반도체를 이용하면서 소스와 드레인에만 특정 조건을 걸면 전자가 개별 이동할때보다 최대 100배 빨라지고 집단 이동하는 전자의 밀도(plasma)가 파형을 나타내는데, 이 파형의 진동 횟수가 테라헤르츠 주파수로 진동한다는 사실을 새롭게 발견해냈다.
또 연구팀은 플라즈마파(plasma-wave) 발생 메커니즘을 규명하고 판별할 수 있도록 플라즈마파 트랜지스터(plasma-wave transistor) 성능평가 방법도 제시했다. 이를 활용해 고가의 ‘화합물 반도체’에 비해 초고주파 동작이 불가능한 것으로 알려진 저가의 상용 ‘실리콘 반도체’에서도 테라헤르츠 대역의 플라즈마파 발진이 가능하다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 특히 테라헤르츠 주파수를 발진하는 실리콘 소자의 크기가 현재의 상용 반도체 패터닝 기술로 가능한 나노미터 스케일임을 확인해, 테라헤르츠 기술의 상용화 가능성을 제시했다.
이번 과제를 통해 초고속 플라즈마파 융합소자 원천기술은 ‘플라즈마파 트랜지스터 성능평가방법’으로 국내 특허출원 및 국제특허협력조약(PCT)을 통한 국제 특허출원을 마친 것으로 알려졌다.
이번 연구를 주도한 김 교수는 “모두가 불가능하다고 생각한 실리콘 소자의 테라헤르츠 대역 동작 가능성을 최초로 입증해 테라헤르츠 기술 상용화에 한걸음 다가섰다”고 평가하며 “이 원천기술을 기반으로 포화 상태인 상용 실리콘 시스템 반도체 시장을 미개발 잠재 시장인 초고속.ㆍ대용량 통신 등으로 광범위하게 확장할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
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