포스텍 염한웅 교수 연구팀. 초고속 실리콘 소자 원천기술 개발

국내 연구진이 세계에서 가장 빠른 실리콘 소자를 가능케 하는 반도체 소자 기술의 미래를 새롭게 열게 될 원천기술개발에 성공했다.

교육과학기술부는 포스텍 원자선 원자막 연구단장 염한웅교수를 비롯 김근수 박사, 강명호 교수 등이 참여한 연구진이 금속 단원자막과 실리콘 계면을 활용해 기존의 실리콘 반도체 소자 속도를 수십 배 이상 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발하는데 성공했다고 17일 밝혔다.

반도체 소자 속도는 전기신호를 운반하는 전자의 유효질량으로 결정되는데, 유효질량이 작을수록 전하가 빨리 움직여 소자 속도도 빨라진다.

또 전자의 유효질량은 각각의 물질이 가진 고유한 성질로, 학계에서는 유효질량을 제어하는 것은 사실상 불가능하다고 여겨져 왔다.

이에 이동통신 등에서 활용되는 고속소자들은 실리콘보다 전자 유효질량이 훨씬 적은 화합물 반도체를 이용해왔다.

현재 우리나라의 실리콘 소자 기술은 선진국에 비해 앞서 있지만 화합물 반도체를 기반으로 한 고속소자기술은 원천특허 부족으로 후진국 수준에 머물러 대부분 수입에 의존하고 있는 상황이다.

이번 원천기술은 학계에서 지금까지 불가능하다고 여긴 실리콘의 유효질량을 1/20이하로 크게 줄인 새로운 방법이다.

또 단원자막 두께인 0.3nm(나노미터)의 매우 얇은 금속막을 실리콘과 접합시키면, 금속 전자와 실리콘 계면 전자가 서로 영향을 주고받아 실리콘 전자의 유효질량을 크게 줄인다는 사실을 실험과 이론을 통해 또한 밝혀 냈다.

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 일반적인 실리콘을 기반으로 고속 소자를 만들 수 있는 새로운 길을 열었다며 선진국에 비해 앞서 있는 국내 실리콘 소자기술을 활용, 차세대 고성능 소자 개발 경쟁에서 국제적으로 유리한 위치를 선점하는데 기여할 수 있게 됐다고 말했다.

한편, 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 리더연구자 지원사업(창의적 연구)으로 추진됐으며 결과는 18일자로 물리학 분야에서 세계적으로 권위있는 과학저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 기재될 뿐 아니라 국제특허출원도 준비 중이다.

 성민규기자 smg@kyongbuk.co.kr