개발된 8인치 기반의 대면적 3차원 탄소나노튜브 트랜지스터 전자 소자 사진(왼쪽) 및 단면을 관찰한 투과 전자 현미경 사진. © News1

국내 연구진이 실리콘 반도체보다 5배 빠른 탄소나노튜브 반도체를 개발했다.한국과학기술원(KAIST)은 전기 및 전자공학부 최양규 교수 연구팀이 국민대 최성진 교수와 공동 연구를 통해 탄소나노튜브를 위로 쌓는 3차원 핀(Fin) 게이트 구조를 이용, 대면적의 탄소나노튜브 반도체를 개발했다고 4일 밝혔다.

탄소나노튜브로 제작된 반도체는 실리콘 반도체보다 빠르게 동작하고 저전력이기 때문에 성능이 훨씬 뛰어나다.

그러나 대부분의 전자기기는 실리콘 재질로 만들어진 반도체를 이용한다.

이는 높은 순도와 높은 밀도를 갖는 탄소나노튜브 반도체의 정제가 어렵기 때문.이 같은 특성들이 탄소나노튜브 반도체 대량 생산을 어렵게 해 상용화를 막는 걸림돌이었다.

이에 연구팀은 3차원 핀 게이트를 이용해 탄소나노튜브를 위로 증착했다.

이를 통해 50nm(10억분의 1m) 이하의 폭에서도 높은 전류 밀도를 갖는 반도체를 개발했다.

3차원 핀 구조는 1um(100만분의 1m) 당 600개의 탄소나노튜브 증착이 가능해 30개 정도만을 증착할 수 있는 2차원 구조에 비해 20배 이상의 탄소나노튜브를 쌓을 수 있다.

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

연구팀의 반도체는 50nm 이하의 폭에서도 높은 전류밀도를 갖는다.

이 반도체는 실리콘 기반의 반도체보다 5배 이상 빠르면서 5배 낮은 소비 전력으로 동작 가능할 것으로 예상된다.

또 기존의 실리콘 기반 반도체에 쓰이는 공정 장비로도 제작 및 호환이 가능해 별도의 비용이 발생하지 않는다.

제1저자인 이동일 연구원은 “차세대 반도체로서 탄소나노튜브 반도체의 성능이 개선되고, 실효성이 높아질 것”이라며 “실리콘 기반 반도체를 10년 내로 대체하길 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 스마트IT융합시스템 연구단과 미래유망융합파이오니아 사업의 씨모스 THz 기술 융합 연구단의 지원으로 수행됐다.

이번 연구 성과는 나노 분야 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 12월 27일자에 게재됐다.


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