KAIST 김상현 교수팀(전기 및 전자공학부)이 기존 CMOS* 기반 로직 소자**의 한계를 극복할 3차원 로직 소자와 극저온에서 동작하는 초저전력 반도체 소자 및 회로기술을 개발했습니다. 연구 성과는 차세대 반도체인 저전력 CMOS 로직회로와 극저온에서 작동하는 대형 양자컴퓨터의 핵심 소자로 사용 가능할 전망인데요. 

* CMOS : 채널이 다른 MOS 집적회로가 상호보완하도록 구성한 칩. 동작속도는 늦지만 소비전력이 적어 소형 컴퓨터, 휴대용 계산기 등에 활용됨.

** 로직 소자 : 논리 연산을 하는 전자소자.

로직 반도체 소자는 소자 소형화 공정 기술 개발을 통해 집적도와 성능을 높여왔습니다. 하지만, 물리적인 한계로 더 이상 소형화 실현이 어려운 상황입니다. 또한 소자 소형화에 따른 배선의 선폭 감소와 이로 인한 배선의 저항, 전력 소모 증가로 성능 향상에 이중고를 겪고 있습니다. 

이 같은 한계를 극복할 차세대 반도체 기술로 모놀리식 3차원 집적기술(M3D)*이 주목 받고 있습니다. 기존의 적층기술과 달리 단일 회로를 3차원으로 적층하여 집적도를 높이면서도 소자를 연결하는 배선 저항을 획기적으로 줄일 수 있고, 상부 채널에 고성능 신규 소재를 도입할 수 있기 때문입니다. 하지만 적층 및 상부 소자 공정에서 열을 계속 가하게 되어 낮은 층의 소자가 쉽게 손상되기 때문에 공정이 매우 까다로운 한계가 있습니다.

* 모놀리식 3차원 집적기술: 반도체 하부 소자 공정 후, 상부의 박막층을 형성하고 상부 소자 공정을 순차적으로 진행함으로써 상하부 소자 간의 정렬도를 극대화할 수 있는 3차원 반도체 집적 기술.

초전도체 혹은 실리콘(Si) 양자점을 사용하는 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 극저온에서 동작하며 수만 개의 회로로 연결됩니다. 따라서 양자컴퓨터에 사용되는 저잡음 증폭기 소자는 극저온 작동하면서 열 발생이 최대한 적어야 하므로 초저전력 소자로 구현되어야 하는데요. 

연구팀은 모놀리식 3차원 집적 기술을 통해 고성능 게르마늄/실리콘(Ge/Si) 하이브리드 CFET와 더불어 극저온에 동작하면서 집적도가 높고 초저전력으로 동작하는 반도체 소자 및 회로를 개발했습니다. CFET(The Complementary FET, 상보형 전계 효과 트랜지스터)이란 서로 다른 전도 유형의 트랜지스터를 교대로 3차원적으로 쌓아 셀 면적을 크게 감소시키는 반도체 직접기술입니다.

연구팀은 적층공정 및 소자 제작 시 필요한 높은 공정온도를 억제하는 독자적인 저온공정을 개발하여 기존 모놀리식 3차원 집적기술의 한계를 극복했습니다. 더불어 공정 및 Ge 고유의 밴드 구조 엔지니어링을 통해서 반도체 소자의 성능을 나타내는 정공이동도를 세계 최고 수준으로 구현하는 데 성공했습니다. 또한 대형 양자컴퓨터가 필요로 하는 수만 개의 큐비트를 적은 수의 소자 및 배선으로 제어, 판독하기 위해서 극저온에서 동작하는 저저항, 초저전력 저잡음 증폭 소자 및 라우팅 소자를 구현했습니다.

3차원 수직 적층형 차세대 로직 소자 (CFET) 단면. Si bulk nFET과 Ge thin film pFET이 수직으로 적층된 단면을 나타내며, 매우 균일하게 본딩되어 3D구조가 형성됨을 알 수 있다. 그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 김성광 박사과정

이런 반도체 소자 및 공정 기술은 앞으로 양자컴퓨터용 소자 개발에 광범위하게 활용되고 기존의 로직소자 등에서 기술적 성능을 크게 향상하는데 활용될 것으로 기대되는데요. 

3차원 큐비트 신호제어/해독 소자의 단면. 큐비스 신호제어/해독에 사용될 수 있는 InGaAs로 만들어진 HEMT소자의 단면 투과현미경 사진을 나타내며 박막 채널이 산화막 위에 3차원 적층된 모습을 보여준다. 그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 정재용 박사과정

김상현 교수는 “이번 연구성과는 기존 반도체의 기술적 한계를 극복하여 성능을 극대화한 차세대 반도체 기술을 개발한데 의의가 있다”라며 “미래 과학기술 변화를 주도할 차세대 로직 및 양자컴퓨터의 핵심 소자로 광범위하게 사용될 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다”고 밝혔습니다.  

연구 결과는 국제전자소자학회(International Electron Device Meetings, IEDM)에 2편의 논문으로 발표됐습니다.

출처 : 이웃집과학자(http://www.astronomer.rocks)​