국내 연구진이 테라헤르츠(terahertz, ㎔) 고주파수 대역에서 전자를 빠르게 이동시키는 실리콘 소자 기술을 세계 최초로 제시했다.

미래창조과학부(장관 최양희)에 지원받은 울산과학기술대학교(UNIST) 김경록 교수 연구팀이 실리콘 반도체의 전자가 테라헤르츠(초당 1조번 진동) 주파수의 진동을 보이면서 기존 전자이동 속도보다 10~100배 빠르게 이동할 수 있음을 입증했다.

현재 실리콘으로는 전자가 기가헤르츠(초당 10억번 진동) 주파수로 진동하면서 이동하는 것이 최대치였다. 이런 실리콘 반도체의 한계 때문에 현재 전자제품은 기가헤르츠 대역까지만 주파수를 이용할 수 있다.

이번 연구진은 전자가 개별적으로 이동하는 기존 실리콘 반도체을 사용하면서도 소스와 드레인에 특정 조건을 걸어 전자가 집단 이동하게 만들면 개별 이동보다 10~100배 빨라지는 것을 발견하게 됐고, 집단 이동하는 전자의 밀도가 높아졌다 낮아졌다를 반복하며 만들어내는 파형의 진동 횟수가 테라헤르츠 주파수로 진동한다는 것을 밝혀낼 수 있었다.

또한, 연구팀은 다른 연구팀이 플라즈마파(plasma-wave) 발생 메카니즘을 규명·판별할 수 있도록 플라즈마파 트랜지스터(plasma-wave transistor; PWT) 성능평가 방법을 제시했으며, 이를 활용해 전자 이동도가 낮아 초고주파 동작이 불가능했던 저가 상용 실리콘 반도체에서도 테라헤르츠 대역의 플라즈마파 발진이 가능하다는 것을 처음으로 입증했다.

특히, 테라헤르츠 주파수를 발진하는 실리콘 소자의 크기가 현재의 상용 반도체 패터닝 기술로 가능한 수십 나노미터 스케일임을 확인함으로써 테라헤르츠 기술의 상용화 가능성을 열었다.

이번 연구를 주도한 김 교수는 “모두가 불가능하다고 생각한 실리콘 소자의 테라헤르츠 대역 동작 가능성을 최초로 입증해 테라헤르츠 기술 상용화에 한걸음 다가섰으며, 이 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 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래부가 추진하는 ‘미래유망융합기술파이오니어사업’의 지원으로 수행됐으며, 세계 권위의 국제전기전자공학회(IEEE) 주관 나노테크놀로지 학회(IEEE-NANO)에서 ‘차세대 나노전자소자’ 분야 우수 논문으로 선정돼 8월20일 발표될 예정이다.

본 연구 논문명은 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)다.