빛으로 작동하는 나노선 트랜지스터 최초 개발
자료제공 : 과학기술정보통신부
고려대 박홍규 교수 연구팀이 오직 빛으로만 전기 신호를 제어하고 효율적으로 전류를 증폭할 수 있는 새로운 나노선 트랜지스터를 최초로 개발했다고 과학기술정보통신부는 밝혔다. 새로운 나노선 트랜지스터가 고해상도 카메라 또는 빛으로 계산하는 신개념 컴퓨터 등에 적용 될지 기대가 커지고 있다.
트랜지스터와 나노선
트랜지스터는 전기 신호의 증폭 작용과 스위칭 역할을 하는 반도체 소자이다. 일반적으로 사용되는 전계효과 트랜지스터의 경우, 게이트 전압을 인가하면 공통단과 출력단 사이의 전기전도도가 증가하게 되고 이를 통해 그 사이의 전류 흐름을 제어할 수 있다. 즉, 전기 신호로 전기적 특성을 제어하는 트랜지스터는 현대 전자 기기를 구성하는 기본 부품 중 하나로 널리 사용되고 있다.
게이트 전압에 의한 트랜지스터 동작 효율을 증대시키기 위해 현재 다양한 연구가 진행되고 있다. 나노 크기의 트랜지스터를 제작하여 전기전도도를 보다 효과적으로 변화시키거나, 트랜지스터에 빛을 쪼여주어 게이트 효과를 더욱 증가시키기도 한다. 그러나 이러한 트랜지스터는 복잡한 공정과 낮은 수율로 인해 실제 제품화는 어려운 상황이다.
나노선이란 단면의 지름이 수 나노미터에서 수백 나노미터이고 길이는 수십 마이크로미터인 1차원 형태의 나노 구조체를 말한다. 이는 레이저나 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용된다.
다공성 실리콘을 활용한 나노선 트랜지스터
연구팀은 실리콘 나노선에 내부에 수 나노미터의 수많은 작은 구멍을 가지고 있는 다공성 실리콘을 부분적으로 삽입하여, 빛만으로 전기 신호를 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 개념의 나노선 트랜지스터를 세계 최초로 개발하였다. 이로서 기존의 복잡한 반도체 설계 및 제작 공정을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.
우선 수백 나노미터 길이의 다공성 실리콘이 부분적으로 포함된 결정질 실리콘 나노선을 합성하였다. 다공성 실리콘은 내부에 수 나노미터의 수많은 작은 구멍들이 있어 주입된 전자들을 강하게 구속시킨다. 즉, 합성된 나노선의 양 끝단에 전압을 걸어주어도 다공성 실리콘 때문에 전류가 거의 흐르지 않는다. 연구팀은 이러한 나쁜 전기적 특성을 역으로 이용해, 빛을 쪼여주면 흐르지 않던 전류가 엄청나게 증폭한다는 점을 최초로 발견했다.
연구팀은 또한, 하나의 실리콘 나노선 안에 두 개의 다공성 실리콘을 갖는 트랜지스터를 제작하여 새로운 논리 회로를 구현하였다. 게다가 다공성 실리콘을 여러 개 포함하는 얇은 나노선 트랜지스터를 제작하여, 1마이크로미터 미만의 높은 분해능으로 매우 약한 빛을 검출할 수 있는 고성능 광 검출기를 구현했다.
박홍규 교수 연구팀은 다공성 실리콘의 이러한 나쁜 전기적 특성을 역으로 이용해 새로운 트랜지스터를 개발하였다. 다공성 실리콘에 레이저를 쪼여주면 구속되어 있던 수많은 전자들이 에너지를 받아 탈출하고 많은 전류가 흐르게 된다. 빛에 의해 전기적 특성을 효과적으로 제어할 수 있어, 천만배 이상의 전류 증폭을 측정할 수 있었다.
전기 신호가 아닌 빛으로만 트랜지스터의 전기적 특성을 제어하게 되면, 기존의 복잡한 반도체 공정과정을 없앨 수 있어 비용적, 기술적 노력을 줄일 수 있다. 게다가 고성능 논리 회로, 민감한 광검출기 등의 응용소자를 손쉽게 구현할 수 있다.
연구 성과
하나의 실리콘 나노선 안에 두 개의 다공성 실리콘을 갖는 트랜지스터를 제작하여 새로운 논리 회로를 구현하였다.
각각의 다공성 실리콘에 레이저 빛을 쪼여주었는지 아닌지를 입력값으로 하고, AND, OR 그리고 NAND의 논리 연산을 수행하여 원하는 출력값을 얻을 수 있었다. 이러한 논리 회로는 모든 컴퓨터의 기초가 되는 소자이므로 빛으로 빠르게 계산이 가능한 컴퓨터의 개발이 가능하다.
또한, 나노선의 지름을 25 나노미터 정도로 더욱 얇게 하여 빛에 매우 민감한 트랜지스터를 개발하였다. 이는 매우 약한 빛을 검출할 수 있는 민감한 광검출기로 이용할 수 있다. 본 연구에서는 다수의 다공성 실리콘을 나노선 안에 촘촘히 삽입하여 1마이크로미터 미만의 높은 집적도를 갖는 새로운 광검출기를 구현하였다.
기대효과
전자 기기들은 다수의 트랜지스터를 복잡하게 연결하여 만든다. 본 연구팀이 제시하는 빛으로 구동되는 나노선 트랜지스터를 이용하면 이러한 집적회로의 설계 및 제작 공정이 필요치 않다.
다공성 실리콘을 원하는 곳에 배치시키고 빛을 필요한 위치에 쪼여주기만 하면 하나의 나노선만으로도 모든 전자 기기들을 간단히 제작할 수 있다.
나노선 트랜지스터는 크기가 작고 약한 빛에도 민감하게 반응하므로 기존의 CCD를 뛰어넘는 민감한 고해상도 카메라를 개발할 수 있다. 또한 빛으로 전기 신호를 제어할 수 있으므로 빠르게 계산이 가능한 신개념의 컴퓨터 개발이 가능할 것이다.
박홍규 교수는 “이 연구는 다공성 실리콘을 원하는 곳에 배치시키고 빛을 필요한 위치에 쪼여주기만 하면 나노선 하나만으로 모든 전자 기기들을 간단히 제작할 수 있음을 보여준 것이다. 이로서 매우 민감한 고해상도 카메라, 빛으로 빠르게 계산이 가능한 신개념의 컴퓨터 개발 등에 적용이 가능할 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 밝혔다.
