상용 '실리콘 반도체'에서 테라헤르츠 대역 가능하다

테라헤르츠 대역에서 전자 빠르게 이동…실리콘 소자 기술 세계 최초 제시

▲플라즈마파 트랜지스터 디자인과 성능 평가를 위한 3차원 플롯.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]상용 '실리콘 반도체'에서도 테라헤르츠 대역이 가능한 것으로 나타났다. 국내 연구팀이 실리콘 반도체의 전자가 테라헤르츠 주파수(1초에 1조번 빠르게 진동하는 고주파수 대역)의 진동을 보이면서 기존 전자이동 속도보다 10~100배 빠르게 이동할 수 있음을 세계 최초로 제시해 관심을 모으고 있다.

테라헤르츠 (Terahertz, THz)는 1012Hz 로서 현재 상용 기가헤르츠(Gigahertz, GHz, 109 Hz) 주파수 대역의 1000 배에 이르는 초고주파 대역을 말한다.

현재 실리콘으로는 전자가 기가헤르츠(1초에 10억번 진동) 주파수로 진동하면서 이동하고 그 이상은 불가능하다고 여겨져 왔다. 실리콘 반도체의 한계 때문에 현재 전자제품은 기가헤르츠 대역까지만 주파수를 이용할 수 있다. 실리콘의 한계 극복을 위해 화합물 반도체를 개발하고 있지만 비싼 것이 흠이다.

기존 실리콘 반도체는 전자가 개별적으로 이동하는 원리에 근거를 두고 있는데 연구팀은 같은 실리콘 반도체(strained silicon)를 사용하면서도 소스와 드레인에 특정한 조건을 걸면 전자가 집단적으로 이동하게 되는 것에 주목했다. 그 속도가 개별 이동할 때와 비교해 10~100배 빨라지고 집단 이동하는 전자의 밀도(plasma)가 높아졌다 낮아졌다를 반복하는 파형(wave)을 나타내는데 그 파형의 진동 횟수가 테라헤르츠 주파수로 진동한다는 것을 밝혀냈다.

연구팀은 다른 연구팀이 플라즈마파(plasma-wave) 발생 메카니즘을 규명하고 판별할 수 있도록 플라즈마파 트랜지스터(plasma-wave transistor, PWT) 성능평가 방법을 제시했다. 연구팀은 독창적으로 개발한 PWT 성능평가방법을 활용해 고가의 '화합물 반도체'에 비해 전자의 이동도가 낮아 초고주파 동작이 불가능한 것으로 알려진 저가의 상용 '실리콘 반도체'에서도 테라헤르츠 대역의 플라즈마파 발진이 가능하다는 것을 처음으로 밝혔다. 플라즈마파(plasma-wave)는 전자 밀도(plasma)의 시공간상의 집단적 변화(wave)로 그 파의 속도가 개별 전자의 이동 속도보다 10~100 배의 초고속이다.

특히 테라헤르츠 주파수를 발진하는 실리콘 소자의 크기가 현재의 상용 반도체 패터닝 기술로 가능한 수십 나노미터 스케일임을 확인했다. 실제 테라헤르츠 기술의 상용화 가능성을 제시한 것이다.

이번 연구는 울산과학기술대학교(UNIST) 김경록 교수 연구팀이 미래창조과학부(장관 최양희)이 추진하는 '미래유망융합기술파이오니어사업'의 지원으로 수행했다. 국제전기전자공학회(IEEE) 주관 나노테크놀로지 학회(IEEE-NANO)에서 '차세대 나노전자소자' 분야 우수논문(Best Paper)로 국내 연구기관에서 유일하게 선정돼 발표(8월20일)될 예정이다.(논문명: 수십-나노스케일의 최대 게이트 길이에서도 테라헤르츠 발진기 동작이 가능한 실리콘 기술 기반 플라즈마파 트랜지스터 (Deca-Nanoscale Maximum Gate Length of Plasma Wave Transistor for Operating Terahertz Emitter Based on Strained Silicon Platform)

김 교수는 "모두가 불가능하다고 생각한 실리콘 소자의 테라헤르츠 대역 동작 가능성을 최초로 입증해 테라헤르츠 기술 상용화에 한걸음 다가섰다"며 "이번 원천기술을 기반으로 현재 포화 상태인 상용 실리콘 시스템 반도체 시장을 미개발 잠재 시장인 테라헤르츠 이미징, 분광 및 초고속·대용량 통신 등으로 광범위하게 확장할 수 있을 것"이라고 말했다.