DGIST 장재은 교수팀, 세계 최초 이중 변조 판상 적층형 트랜지스터 개발

DGIST(총장 이건우) 전기전자컴퓨터공학과 장재은 교수와 표고은 박사 연구팀이 2차원적 나노스케일 채널 구조에서도 전류 누설 없이 안정적으로 동작하는 ‘이중 변조 판상 적층형 트랜지스터’를 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

최근 반도체 산업은 한정된 공간에 더 많은 소자를 집집적하기 위해 채널을 수직으로 쌓아 올리는 판상 적층형 구조를 대안으로 삼고 있으나, 채널 길이가 짧아질수록 전류가 새어나가 동작이 불안정해지는 물리적 한계에 직면해 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 상·하부 두 개의 게이트가 서로 다른 방식으로 채널을 제어하는 ‘이중 변조 구조’를 고안했다. 채널을 사이에 두고 위아래 전극이 마주 보는 형태를 도입해 전기 신호가 채널 내부로 고르게 전달되도록 설계한 것이다.

특히 하부 전극에는 미세한 구멍을 내어 신호 전달력을 높였으며, 상부에는 신소재인 ‘그래핀(Graphene)’ 전극을 도입해 전류 흐름을 정밀하게 제어했다. 아울러 전류 누설이 잦은 영역에 별도의 차단층을 추가해 전력 손실 경로를 원천적으로 봉쇄하는 성과를 거두었다.

연구 결과, 나노미터 수준의 극히 얇은 면 형태에서도 누설 전류를 10-12A 수준으로 억제하는 동시에 탁월한 구동 성능을 확보했다. 이 소자는 낮은 전압에서도 높은 출력을 기록했으며, 빛 노출이나 장시간 구동 등 가혹한 환경에서도 높은 안정성을 유지하는 것으로 확인됐다.

이번 기술은 고가의 초정밀 공정이나 고온 처리가 필요하지 않아 대면적화와 다층 적층에 매우 유리하다는 장점이 있다. 이에 따라 향후 고집적 3D 반도체는 물론 저전력 로직 소자, 메모리, 플렉서블 전자기기 등 다양한 산업 분야에 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.

장재은 교수는 “이번 연구는 나노스케일 채널에서도 안정적인 동작을 가능하게 하는 새로운 듀얼 게이트 설계 전략을 제시한 것”이라며 “기존 수직형 트랜지스터의 근본적인 한계를 극복함으로써 차세대 저전력·고집적 3D 반도체 시대를 앞당길 중요한 해결책이 될 것으로 본다”라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 InnoCORE 사업의 지원으로 수행되었으며, 결과는 관련 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Science’ 온라인판에 게재됐다.