POSTECH-美 SEMATECH,

차세대 나노트랜지스터 열화 규명

– 전자 정윤하 교수팀, 란타늄 도핑 트랜지스터 열화 예측 가능 모델링 개발

– 설계 시 예측 성능과 동일한 성능으로 소자 제작 가능…제작 시간・비용 절감

문턱전압*을 조절해 전력소비를 줄일 수 있는 차세대 나노트랜지스터 기술로 각광을 받고 있는 ‘란타늄 도핑 트랜지스터’의 성능을 향상시킬 수 있는 연구 성과가 한-미 공동연구팀에 의해 발표됐다. 

POSTECH 정윤하 전자전기공학과 교수팀과 미국 SEMATECH(반도체 연구 컨소시엄)은 ‘란타늄*이 도핑(doping)*된 전계효과 트랜지스터’의 쌍극자(dipole)와 초고주파 특성 사이의 메커니즘을 규명하고, 이를 바탕으로 한 모델을 제시했다.

반도체소자분야 최고권위의 ‘국제반도체소자학회(IEDM・International Electron Devices Meeting)’에서 발표된 이 연구 성과는 지금까지 열화(劣化) 현상으로 인해 어려움을 겪었던 초고속집적회로 제작에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

휴대폰, 컴퓨터의 CPU 등에 사용되는 초고속 집적회로에 들어가는 나노 트랜지스터는 초고주파 영역에서의 특성이 잘 알려져 있지 않아, 설계 시 예측한 성능과 실제 제작 후의 성능이 크게 차이가 나는 경우가 많았다.

특히 주파수가 높아질수록 증폭률이 떨어지는 열화현상은 정확한 예측을 저해해, 정밀한 나노 트랜지스터 제작에 가장 큰 걸림돌로 지목되어 왔다. 

한-미 공동연구팀은 란타늄에 의해 생성된 쌍극자의 유전완화(dielectric relaxation)*에 의한 것임을 규명했으며, 이를 적용한 회로 설계용 모델을 개발해냈다.

이 모델을 통해 나노트랜지스터의 열화현상을 사전에 예측하고 방지할 수 있게 됐을 뿐 아니라, 정확한 설계가 가능해져 소자의 제작 시간이나 비용을 절감할 수 있게 됐다. 

미국 SEMATECH 강창용 박사는 “이 연구결과는 초고속 로직과 초고주파 집적회로의 성능 분석과 모델링 기법 분야에서 획기적인 발전을 이뤘다”고 높이 평가했다.

 한편, 이 연구는 교육과학기술부의 WCU(World Class University) 정보융합공학부(ITCE)사업단, BK21, 지식경제부의 NCNT(National Center for Nanomaterials Technology)의 지원을 받아 수행됐다.

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※ 문턱전압

트랜지스터가 전류를 흘릴 수 있게 되는 채널을 형성하기 위한 최소 전압 

※ 란타늄 (Lanthanum, La)

원자번호 57의 화학원소로 은백색의 금속이다. 희토류 원소 중 가장 반응성이 크며 칼로 자를 수 있을 만큼 무르다.

 ※ 도핑 (doping)

금속공학에서 고의로 미량의 다른 물질을 재료에 첨가하여 그 성질을 개선하는 일. 

※ 쌍극자(dipole)

중심이 일치하지 않는, 크기가 같고 극성이 서로 반대인 전하들의 쌍 

※ 유전완화 (dielectric relaxation)

낮은 주파수에서 전기장이 충분히 느리게 변할 경우 쌍극자들은 전기장이 변하기 전에 평형에 도달할 수 있다. 쌍극자가 전기장의 변화를 따라가지 못할 정도로 매질의 점성이 크면 전기장의 에너지는 흡수되어 손실되는 메커니즘을 일컫는다. 

※ SEMATECH

미국 반도체 산업의 제조공정을 개선하고 국가경쟁력 강화를 목적으로 1987년에 설립된 민관 합동 반도체 컨소시엄이다. 인텔, AMD, IBM, 삼성전자, 텍사스 인스트루먼트 등 반도체 제조업체들이 컨소시엄으로 참여하고 있다.