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기초지원硏, 자체 전류 조절 가능한 반도체 소자 개발

기사입력 2023.01.25 12:08
산화 아연 기반 ‘음성미분저항 반도체 소자’ 구현
  • 윤형중 한국기초과학지원연구원 소저분석연구부 부장팀은  ‘p-n 접합 음성미분저항 반도체 소자’ 구현에 성공했다고 25일 밝혔다./ 한국기초과학지원연구원
    ▲ 윤형중 한국기초과학지원연구원 소저분석연구부 부장팀은 ‘p-n 접합 음성미분저항 반도체 소자’ 구현에 성공했다고 25일 밝혔다./ 한국기초과학지원연구원

    국내 연구진이 흐르는 전류의 양을 자체적으로 조절할 수 있는 차세대 반도체 소자 개발에 성공했다. 고성능 마이크로파 발진기, 증폭기, 고속 지능형 스위칭 소자 연구개발 등에서 높은 활용도를 보일 것으로 기대된다.

    윤형중 한국기초과학지원연구원(기초지원연) 소재분석연구부 부장팀은 n형 반도체 물질인 산화 아연의 나노입자 결정 구조를 조절해, 새로운 ‘p-n 접합 음성미분저항 반도체 소자’ 구현에 성공했다고 25일 밝혔다. 이번 연구는 유호천 가천대 전자공학과 교수팀과 공동으로 진행했다.

    ‘음성미분저항(NDR)’은 전압이 증가해도 전류는 감소하는 현상이다. 이때 전압을 더 증가시키면 다시 회로에 흐르는 전류가 증가하게 된다. 이를 특정 전압 조건에서 전기 신호의 힘을 조절할 수 있는 ‘스위칭 특성’이라 부른다. 때문에 이용자가 전류를 조절할 수 있는 반도체 회로를 개발하는 핵심 기술로 주목받고 있다. 하지만 현재 개발된 NDR 반도체 소자들 대부분은 전기 신호가 나노암페어(㎁) 수준으로 미미해 실질적 상용화에 어려움을 겪고 있다.

    이 같은 문제를 해결하고자 공동연구팀은 산화 아연과 실리콘을 접합한 형태의 NDR소자를 새롭게 고안했다. 산화 아연 나노입자의 결정 크기를 조절해, 에너지(전자)가 존재하지 않는 영역인 ‘에너지 밴드갭’을 제어하는 방식이다. 그 다음 산화 아연에서 실리콘으로 전자가 이동할 때 발생하는 ‘내부 전위 장벽’을 조절할 수 있게 됐다. 내부 전위 장벽은 전자가 서로 다른 반도체 영역으로 이동할 때 발생하는 현상으로, 장벽이 높으면 더 많은 전압을 인가해야 전자가 다른 반도체 영역으로 이동할 수 있다.

    연구팀은 이번에 개발한 NDR소자로 성능 테스트를 진행했다. 그 결과, 전압이 증가함에도 특정 구간에서 전류가 감소하는 NDR 현상을 구현하는데 성공했다. 또 극저온 환경, 고진공 등의 외부 자극을 가하지 않고도 전압 조절만 이용해 NDR소자에 흐르는 전류를 최대 4.96마이크로암페어(㎂) 수준까지 끌어올렸다. 이는 기존 소자의 전류 흐름양 대비 약 1000배 이상 개선된 수치다.

    윤형중 부장은 “이번 연구는 물질의 근원적 특성을 파악하고 제어해 차세대 소자 개발에 응용한데 의미가 있다”며 “향후 다양한 재료 물질의 에너지 구조 관찰 및 분석을 통해 첨단 소자 개발에 기여할 수 있도록 힘쓸 것”이라고 밝혔다.

    이번 연구 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 테크놀로지’ 온라인판에 지난해 10월 30일자로 게재됐으며, 최신호 표지논문으로도 선정됐다.

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