연세대학교 임성일 교수(물리학과) 연구팀은 수 나노미터(㎚)에 해당하는 강유전성 고분자 극박막 결정 기술을 사용해 2차원 층상형 나노소재인 이황화몰리브덴(MoS2)을 채널로 한 음의 정전용량 트랜지스터를 개발했다.
기존 반도체 소자는 고도의 집적화가 이뤄지는 과정에서 전력 소모가 증가해 이를 막기 위한 다양한 연구가 진행돼 왔다.
하지만 문턱전압이하 스윙(Subthreshold swing; 이하 S.S.)이 60mV/dec보다 낮아질 수 없다는 물리적 한계에 부딪혀 새로운 돌파구가 필요한 시점이다.
S.S.는 작은 입력 전압 차이로도 충분한 출력 신호를 생성할 수 있는 트랜지스터의 민감도를 의미하는데, 일반적으로 이 값이 작을수록 더 효율적인 전력 소모가 가능하다.
이에 많은 차세대 기술들이 제안되고 있는데, 그중 하나가 '음의 정전용량 현상'을 적용하는 기술이다.
음의 정전용량 현상은 인가된 전압이 증가하면 유전체에 축전된 전하량이 감소하는 것을 의미한다.
마치 책상을 기울일수록 구슬이 점점 굴러떨어지는 것이 아니라 되려 높은 곳으로 올라가는 것과 같은 현상으로, 얼핏 불가능한 물리적 현상처럼 보이지만 유전체와 강유전체를 적절히 조합한다면 가능하다.
이 현상을 이용한 트랜지스터는 인가하는 전압을 내부적으로 일부 증폭시키기 때문에 상대적으로 낮은 동작 전압에서도 구동이 가능해 전력 소모를 줄일 수 있다.
그러나 음의 정전용량 트랜지스터는 구동 전압의 이력현상(Hysteresis)을 항상 보여주는 문제가 있다.
이력현상은 소자의 안정성을 보여주는 중요한 지표로, 연구팀은 알루미늄 산화물 유전체와 P(VDF-TrFE) 강유전체 극박막의 상대적 두께 비율을 최초로 연구해 이력현상을 제거했으며, 이를 바탕으로 MoS2 트랜지스터의 S.S.를 이론적 한계값인 60mV/dec보다 획기적으로 낮은 28mV/dec로 감소시켰다.
연구팀은 이에 그치지 않고 트랜지스터를 이론적, 실험적으로 분석하는 방법을 개발해 제안했다.
이전까지는 음의 정전용량 트랜지스터에 관한 연구가 제한적이었으나 연구팀이 이를 평가하고 연구하는 방법을 제시하면서, 저전력 소자에 관한 연구가 한층 더 가속화될 것으로 기대된다.
이번 연구에서 사용된 강유전성 유기물은 미세공정에 의해 녹아 없어지기 때문에 집적화가 필요한 반도체 시장에서 달갑지 않은 재료이다.
연구팀은 유기물인 강유전성 고분자 극박막을 기판과 화학결합시켜 미세공정 문제와 고온에서의 결정성 분해 문제를 해결했다.
이를 통해 유기물질의 집적소자공정 적용 가능성을 확인했다.
임성일 연세대 교수는 "개발한 음의 정전용량 트랜지스터는 현재 고도의 집적화가 요구되는 반도체 시장에서 중요한 발전을 이끌어 낼 새로운 기술"이라며 "낮은 S.S.와 극소의 이력현상을 가지는 등 트랜지스터의 산업화에 필요한 중요한 기술적 요건을 충족하며 전력 소모를 줄일 수 있어, 반도체 소자의 개발 방향을 제시하고 지속 가능한 발전을 이끌어 내는 계기가 될 것"이라고 연구의 의의를 전했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 선도연구센터지원사업(SRC)과 연세시그니처연구클러스터사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연세대 조현민 박사가 제1저자로, 연세대 임성일 교수가 제1교신저자로, 연세대 김관표·류두열 교수, 단국대 박지훈 교수가 제2교신저자로 참여했다.
연구 결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 4월 13일 온라인 게재됐다.
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출처 : 연세대학교 보도자료
