N형, P형 반도체 기능을 모두 수행하는 스핀 트랜지스터 개발
반도체 공정을 획기적으로 줄이면서 비메모리 반도체 분야에 응용 가능

 

국제전기전자기술자협회(IEEE)를 주축으로 이뤄진 국제 디바이스·시스템(IRDS) 로드맵이 발간한 기술 백서에 따르면 현재 반도체 생산에 활용되고 있는 상보성 금속산화막 반도체(Complementary Metal–Oxide Semiconductor, CMOS*) 공정기술은 2024년을 기점으로 더 이상 발전이 없을 것으로 예상됐다. 따라서 포스트 CMOS와 ‘모어 무어(More Moore)’시대를 열기 위한 연구가 대두되고 있는데, 최근 국내 연구진이 전자의 스핀을 이용하여 현재 반도체 집적회로인 CMOS를 대체할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.
*CMOS(상보성 금속산화막 반도체) : 집적 회로의 한 종류로, 마이크로프로세서나 SRAM 등의 디지털 회로를 구성하는 데에 이용된다. 양(+)의 전하를 이용하는 P형 트랜지스터(p-MOS)와 음(-)의 전하를 이용하는 N형 트랜지스터(n-MOS)를 동일 칩에 넣어 양자가 상보적으로 동작하도록 하여 전력소모를 낮추는 방식

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 구현철 박사팀은 기존 반도체 기술인 CMOS에서 반드시 필요했던 N형, P형 트랜지스터의 별도 제작 없이, 전자의 스핀특성을 이용하여 두 가지 기능을 모두 수행하는 트랜지스터를 구현하였다. 그동안 스핀트랜지스터는 상당한 잠재력을 가지고 있었지만 CMOS 로직 소자로의 동작을 보여주지 못했었다. 연구진은 전자의 스핀이 가지고 있는 평행/반평행 성질을 이용하여 CMOS 로직 소자 동작을 구현하였으며 관련 특허를 국내외에 출원했다. 이번 연구성과는 과학저널인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 紙에 4월 21일(한국시간)자로 온라인 게재되었다.스핀트랜지스터 기술은 그동안 반도체가 전자의 전하만을 이용할 수 있었던 것에 비해, 전하와 동시에 전자의 스핀을 이용하여 정보를 저장 또는 처리하는 신기술로서, 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해진다. 본 연구진에 의해 최초로(2009년 Science紙 게재**) 제안된 이 트랜지스터는, 그러나 실제 회로에 응용하기 위해서 N형, P형 트랜지스터를 모두 구현해야하는 여러 가지 어려움이 있었다.
**Control of Spin Precession in a Spin-Injected Field Effect Transistor (Science紙, 2009년 9월 18일)

<그림 1> CMOS 동작을 위한 평행형 (N형기능), 반평행형(P형기능) 스핀 트랜지스터

<그림 2> 스핀 트랜지스터를 이용한 CMOS 소자 (좌) 및 신호 (우). P-형 트랜지스터(우 상단)와 N-형 트랜지스터(우 하단)의 기능을 전자의 스핀을 이용하여 보여주고 있다.

트랜지스터를 컴퓨터 중앙처리 장치와 같이 실제 로직소자에 응용하기 위해서는 N형(-), P형(+) 트랜지스터를 모두 이용해야하는데 제작과정에 많은 공정과 비용이 필요하다. 특히 스핀트랜지스터는 제작에도 많은 노하우가 필요할 뿐 아니라 N형, P형을 별도로 제작하는 연구는 전무했다. 이번 연구결과는 트랜지스터의 입력부와 출력부를 서로 같은 자화 방향으로 만들거나 서로 반대의 자화 방향으로 만들어 각각 N형과 P형의 기능을 모두 구현함으로써 특별한 도핑과정 없이 두 가지 역할을 모두 수행하는 트랜지스터를 개발한 것이다. 이러한 기술은 향후 상용화가 된다면 세계 수준인 반도체 메모리 기술에 비해 취약한 국내 시스템 반도체(비메모리) 분야에 다양하게 이용될 수 있으며 이 기술이 가진 초고속, 초절전 특성으로 인해 다양한 전자기기, 특히 모바일 기기에 응용될 것으로 기대된다. KIST 구현철 박사는 “현재 스핀트랜지스터 기술은 시작하는 단계에 있지만 이를 이용한 로직소자가 개발되면 전력손실이 거의 없고 초고속으로 작동할 것이다.”라며, “향후 정보처리 소자는 물론 메모리와 로직을 융합한 모바일용 소자에도 응용이 가능할 것이다” 라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 연구재단 중견연구사업으로 수행되었다. 


 * (논문명) Complementary spin transistor using a quantum well channel
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 박윤호 박사과정       
          - (교신저자) 한국과학기술연구원 구현철 박사

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저비용, 쉬운 공정으로 대면적의 화이트 그래핀(h-BN) 합성법 개발
다기능 화이트 그래핀 코팅기술로 전자, 우주항공 등 대형시장에 응용 전망

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 김명종 박사팀은 고분자 원료인 보라진 중합체*(borazine oligomer)를 촉매 금속에 코팅하고 열처리하는 방법으로 손쉽게 대면적의 화이트 그래핀을 합성하는 기술을 개발했다.
*보라진 중합체(borazine oligomer) : 벤젠의 탄소가 붕소와 질소로 치환된 형태의 분자가 중합한 형태

 

[그림1] 촉매 위에 보라진 올리고머를 코팅하거나, 촉매층을 보라진 올리고머 층에 올려서 열처리를 하면 쉽게 화이트 그래핀을 얻을 수 있다.

 

보론 나이트라이트(질화 붕소(hexagonal boron nitride), h-BN), 일명 ‘화이트 그래핀(white graphene)’은 탄소원자들이 벌집 모양으로 연결된 그래핀에서 탄소 대신 붕소와 질소를 채워 넣은 것으로 육안으로 하얗게 보인다. 화이트 그래핀은 절연성을 가지며, 높은 열전도도, 900'C 까지 산화되지 않고 열을 견디는 내산화성, 중성자를 흡수하여 차단해 주는 중성자 차폐성, 보론과 나이트로젠 사이의 이중극자로 인하여 구조가 변형될 때 전기를 발생하는 압전 특성, 원자외선 발광특성, 복합소재의 필러로 사용 되었을 때의 계면 안정성 등 탄소소재에서는 보이지 않는 혁신적인 특성을 가진다. 이러한 특성은 절연방열, 열 차폐, 중성자 차폐, 압전소자 등의 응용기술로 연계되어 전자, 자동차, 우주항공, 원자력 등 대형시장에 영향력을 끼칠 것으로 기대되는 소재이다.

              [그림 2] 본 분석결과를 고려할 때 화이트 그래핀(h-BN)이 이름대로 하얀색을 띠고,  수층 정도의 층수를 가지며,

                         원자들이 육각형의 고결정성을 가지는 것으로 보여 진다.

이러한 우수한 특성에도 불구하고 화이트 그래핀의 원료 물질이 비교적 제한되어 있고, 합성(성장)공정이 그래핀 보다 어려워 많은 연구가 이뤄지지는 못했다. KIST 김명종 박사팀은 원료물질인 고분자(보라진 올리고머)를 니켈 촉매 기판에 떨어뜨려 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 스핀 코팅(spin coating)방법으로 진행하였으며, 이를 1000'C 정도에서 열처리를 하여 고결정성의 화이트 그래핀(h-BN)을 얻었다. KIST 김명종 박사는 “이번 연구의 핵심은 촉매의 효과에 의해서 상대적으로 낮은 온도에서 고결성의 화이트 그래핀을 확보할 수 있는 것과 관련 메커니즘도 규명한 것”이라고 밝혔다. 또한, 이를 “그래핀 트랜지스터**의 절연층 위에 보조층으로 적용한 결과 그래핀 소재의 도핑 효과를 감소시키며, 트랜지스터의 동작속도와 관계되는 전하 이동도를 2배 정도 증가시키는 효과를 이번 연구를 통해 밝혀냈다.”고 말했다.
** 그래핀 트랜지스터 : 트랜지스터에 실리콘이 아닌 그래핀을 활용한 반도체 소자

연구진은 촉매 층을 고분자(보라진 올리고머)위에 코팅하고 열처리 후 제거가 가능하므로 다양한 표면에 화이트 그래핀의 기능성 코팅이 가능하다고 밝혔다. 이 방법의 특징은 기존의 보라진을 원료로 하는 화학기상증착법(CVD) 방법에 비하여 매우 간단한 저가의 장치만으로 가능하기 때문에, 향후 손쉬운 공정으로 대면적, 다양한 표면에 적용 가능성 등이 있다고 전망했다.

[그림 3] 그래핀 트랜지스터의 스위칭 커브와 전하 이동도를 보여주는 데이터이다. 손쉽게 합성된 화이트 그래핀 (h-BN)을 적용한 그래핀 트랜지스터에서 도핑효과의 감소와 전하이동도의 2배 정도 증가가 관찰되는데, 이는 합성된 화이트 그래핀이 아주 평평하고 전기적으로 중성을 유지하는 고품질 소재이기 때문이다.

 

 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 기관고유사업과 4U 복합소재 프로젝트(개방형 연구과제)의 지원으로 수행되었으며, 네이처 그룹(Nature group)에서 발간하는 Scientific Reports의 2017년 1월 온라인에 게재되었다. 본 논문은 KIST 전북분원 복합소재기술연구소와 고려대학교 강상욱 교수 공동연구의 결과이며, 본 기술은 원천성을 인정받아 국내와 미국에 특허로 등록되었다.

 

*특허번호 & 특허명

  - 보라진 다량체를 전구체로 활용하여 금속촉매 효과로 성장된 고품질의 질화 붕소막 및 그 제조방법 (KR1480817) Method for producing   

  - hexagonal boron nitride film using borazine oligomer as a precursor (US9562287)

* (논문명) ‘Facile Synthesis of Highly Crystalline and Large Areal Hexagonal Boron Nitride from Borazine Oligomers’ 
  - (제1저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 서태훈 박사후 연구원
  - (교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 김명종 박사

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