KAIST-국민대 공동 연구, 3차원 핀 게이트 구조 이용···'에이씨에스 나노'에 게재

3차원 구조의 탄소나노튜브 전자소자의 모식도 및 실제 SEM 이미지. <사진=KAIST 제공>
3차원 구조의 탄소나노튜브 전자소자의 모식도 및 실제 SEM 이미지. <사진=KAIST 제공>
실리콘 반도체보다 5배 빠르고 가격도 저렴한 탄소나노튜브 반도체가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

KAIST(총장 강성모)는 최양규 전기및전자공학부 교수 연구팀이 최성진 국민대 교수와 공동 연구를 통해 탄소나노튜브를 위로 쌓는 3차원 핀(Fin) 게이트 구조를 이용해 큰 면적의 탄소나노튜브 반도체를 개발했다고 4일 밝혔다. 

탄소나노튜브는 구리의 전기 전도도, 다이아몬드의 열전도율에다 철강보다 강도가 100배 뛰어나 차세대 전자소자 및 센서 소재로 주목받고 있다. 

하지만 밀도가 높지 않고, 순도가 낮아 넓은 면적의 웨어퍼(판)에 일정한 수율을 갖는 제품을 제작할 수 없다. 이는 대량 생산을 어렵게 해 상용화를 막는 걸름돌로 작용한다. 

연구팀은 3차원 핀 게이트를 이용해 탄소나노튜브를 위로 증착하는 방식을 사용, 50나노미터 이하의 폭에서도 높은 전류 밀도를 갖는 반도체를 개발해 냈다. 

3차원 핀 구조는 1마이크로미터 당 600개의 탄소나노튜브 증착이 가능해 약 30개 정도만을 증착할 수 있는 2차원 구조에 비해 20배 이상의 탄소나노튜브를 쌓을 수 있다.

또 연구팀은 이전 연구를 통해 개발된 99.9% 이상의 높은 순도를 갖는 반도체성 탄소나노튜브를 이용해 고수율의 반도체를 확보했다.

개발된 8인치 기반의 대면적 3차원 탄소나노튜브 트랜지스터 전자 소자의 사진 및 단면을 관찰한 투과 전자 현미경 사진. <사진=KAIST 제공>
개발된 8인치 기반의 대면적 3차원 탄소나노튜브 트랜지스터 전자 소자의 사진 및 단면을 관찰한 투과 전자 현미경 사진. <사진=KAIST 제공>
연구팀의 반도체는 50나노미터 이하의 폭에서도 높은 전류밀도를 갖는다. 실리콘 기반의 반도체보다 5배 이상 빠르면서 5배 낮은 소비 전력으로 동작 가능할 것으로 예상된다. 기존 실리콘 기반 반도체에 쓰이는 공정 장비로도 제작 및 호환이 가능해 별도의 비용이 발생하지 않는다. 

이동일 연구원은 "차세대 반도체로서 탄소나노튜브 반도체의 성능 개선과 더불어 실효성도 높아질 것이다"며 "실리콘 기반 반도체를 10년 내로 대체하길 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 스마트IT융합시스템 연구단과 미래유망융합파이오니아 사업의 씨모스 THz 기술 융합 연구단의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 나노 분야 학술지인 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 12월 27일자에 실렸다. 

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