포스텍, 필요한 소자 75% 줄이고 속도 4배 높인 ‘차세대 반도체 트랜지스터’ 개발

연구 이미지. /포스텍 제공

국내 연구진이 단 하나의 반도체 소자만으로 여러 회로의 기능을 동시에 수행할 수 있는 신개념 트랜지스터 기술을 개발했다. 

포항공과대학교(이하 포스텍) 전자전기공학과·반도체공학과 이병훈 교수와 전자전기공학과 전재현 박사 연구팀은 저온 공정이 가능한 ‘산화아연(ZnO)-텔루륨(Te) 이종접합 트랜지스터’를 개발했다고 19일 밝혔다. 

최근 반도체 산업은 인공지능(AI) 기기의 소형화에 따라 ‘더 작은 칩 안에 더 많은 기능을 집적하는 것’이 핵심 과제로 꼽힌다. 

기능이 늘어날수록 필요한 회로와 트랜지스터 수도 함께 증가하는데 이미 만들어진 칩 위에 새로운 소자를 수직으로 쌓아 올리는 후공정(BEOL) 단계에서는 하부 칩 구조를 보호하기 위해 400℃ 이하의 저온 공정이 필수적이다.

연구팀은 200℃ 이하의 저온에서도 얇고 균일하게 제작할 수 있어 차세대 반도체 소재로 각광받는 n형 산화아연(ZnO)과 p형 텔루륨(Te)에 주목했다.

두 소재를 결합해 이종접합 소자를 만든 연구팀은 두 물질이 겹치는 길이를 정교하게 조절하는 방식을 취했다. 

이를 통해 전압이 오르면 전류가 증가하다가 특정 구간에서 오히려 감소하는 현상이 두 번 연속 나타나는 ‘이중 부성 미분 트랜스컨덕턴스(D-NDT)’ 특성을 단일 소자 내에서 구현하는 데 성공했다. 

일직선으로 흐르던 전류 통로에 일종의 ‘입체 교차로’를 만들어 여러 개의 소자가 나누어 처리하던 복잡한 신호 처리를 하나의 소자가 도맡아 할 수 있게 한 것이다.

연구팀은 이 소자를 활용해 입력 신호 하나를 4개의 신호로 변환하는 ‘주파수 4체배기’ 회로를 구현했다. 

기존에는 여러 개의 트랜지스터와 복잡한 회로 구성이 필요했던 기능이지만, 이번 신기술을 통해 단 하나의 소자만으로 구현해 냈다. 

이로 인해 회로 구성에 필요한 트랜지스터의 수를 75% 줄였으며 실제 회로 실험에서도 입력 신호 한 주기 내의 데이터 처리 속도가 4배 증가하는 것을 검증했다.

이병훈 포스텍 교수는 “이번 연구는 복잡한 회로 기능을 단일 소자 수준에서 구현할 수 있다는 가능성을 보여준 사례”라며 “향후 초소형 AI 기기나 3차원 고집적 반도체 시스템 개발에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구 성과는 재료·소자 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]