국내 연구진, 초절전 CMOS 반도체 개발 길 열었다

국내 연구진, 속도 3배↑ 구동전력 1/6로 축소

↑↓국내 연구진이 동작속도가 빠르고 구동하는데 낮은 수준의 전력만 필요로 하는 반도체 소자 기술을 개발했다. 이 소자는 미래 CMOS 반도체 소자 개발의 필수 고려 사항인 초절전향 반도체 소자를 구현하기 위한 원천기술로, 10nm이하급 미래 초절전 CMOS 반도체 소자 기술개발에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.

미래창조과학부와 한국연구재단은 서울시립대 신창환 교수와 조재성 연구원이 이끄는 연구팀이 속도 한계를 넘어선 CMOS 반도체 소자 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.

1960년대 이후 반도체 제조공정 기술은 2년 마다 단위면적당 2배의 소자를 집적시키며 발전했지만, 반도체 소자를 구동시키기 위한 전압은 효과적으로 줄이지 못했다. 그 결과, 최신 반도체 소자는 는 단위면적당 구동에 필요한 전력의 크기가 핵원자로와 비슷한 수준이 되고, 이로 인한 발열도 심각한 수준이다.

강유전체 축전기의 음의 전기용량을 이용하였을 때 향상된 반도체 소자의 스위칭 속도

따라서 연구팀은 세계 반도체 기술 수준을 비약적으로 도약시키기 위해 이미 개발된 반도체 소자 및 제조공정을 그대로 활용하되, 구동전압을 획기적으로 낮추는 신기술 개발에 몰두해 왔다.

반도체 소자에서 전하를 모으는 장치인 축전기는 +전극과 -전극 사이에 절연체(전기가 통하지 않는 물질)를 넣어 만드는데, 절연체 대신 강유전체 재료를 넣으면, 축전기의 +전극에 +전압을 걸더라도 어느 정도까지는 반대극성을 띤 -전하가 쌓이는 상태가 된다.

이를 음의 전기용량(Negative Capacitance)상태라고 하는데, 이같은 상태가 될 수 있는 축전기를 반도체 소자 안에 넣으면 전압을 증폭해 획기적으로 낮은 전압으로도 반도체 소자를 작동시킬 수 있다. 또한 반도체 소자의 정보 처리 속도를 의미하는 on/off 스위칭 속도의 이론적 한계치를 극복할 수 있다.

연구팀은 음의 전기용량이 반도체 소자에 미치는 역할을 실험적으로 밝혀 신개념 축전기를 제시했다. 또한 이번 연구에서 P(VDF-TrFE)라는 강유전체를 이용해 음의 전기용량 상태를 가지는 축전기를 개발했다.

음의 전기용량을 가진 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 동작이 가능해졌다.

신창환 교수는 “미래 CMOS 반도체 소자에 음의 전기용량의 적용가능성을 실험적으로 밝힌 이번 연구는 음의 전기용량이라는 새로운 학문분야를 한 단계 진보시켜 의미가 큰 성과일 뿐만 아니라, 반도체 산업의 기술적 도약에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업으로 수행했으며, 연구 결과물은 나노과학분야의 권위 있는 학술지인 나노레터스(Nano Letters) 온라인판 6월 23일 자(한국시각 6월 24일)에 게재됐다.