고려대 물리학과 박홍규 교수 연구팀이 오직 빛으로만 전기 신호를 제어하고 효율적으로 전류를 증폭할 수 있는 새로운 나노선 트랜지스터를 최초로 개발했다. 이 연구는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
빛으로 전기적 특정을 제어
트랜지스터는 현대 전자기기를 구성하는 가장 기본 부품 중 하나로, 전류나 전압흐름을 조절해 전기 신호의 증폭 작용과 스위치 역할을 한다. 최근 기존 트랜지스터의 동작 효율을 높이기 위해 나노 크기로 제작하거나 빛을 쪼여주는 등의 연구가 진행중이지만, 복잡한 공정과 낮은 수율로 인해 상용화가 어려운 상황이었다.
업계의 이러한 고민을 효과적으로 해결하기 위해 연구팀은 트랜지스터의 전기적 특성에 주목했다. 이 특성을 제어하게 되면 기존의 복잡한 반도체 공정과정을 없앨 수 있어 비용적, 기술적 노력을 줄일 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.
그리하여 연구팀은 실리콘 나노선에 다공성 실리콘을 부분적으로 삽입했다. 다공성 실리콘은 내부에 수 나노미터(1 나노미터는 10억분의 1미터)의 수많은 작은 구멍을 가지고 있는 실리콘을 칭하는 말이다. 연구팀은 이 다공성 실리콘을 통해 빛만으로 전기 신호를 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 개념의 나노선 트랜지스터를 개발하게 됐다.
다공성 실리콘은 내부에 수맣은 작은 구멍이 있기 때문에 전기가 거의 흐르지 않는다. 연구팀은 이러한 전기적 특성을 역으로 이용한 것. 이번 연구에서는 빛을 쪼여주면 흐르지 않던 전류가 엄청나게 증폭한다는 점을 최초로 발견했다.
또한 연구팀은 하나의 실리콘 나노선 안에 두 개의 다공성 실리콘을 갖는 트랜지스터를 제작해 새로운 논리회로를 구현했다. 뿐만 아니라 다공성 실리콘을 여러 개 포함하는 얇은 나노선 트랜지스터를 제작해 1 마이크로미터 미만의 높은 분해능으로 매우 약한 빛을 검출할 수 있는 고성능 광검출기를 선보였다.
▲ 그림 1. 다공성 실리콘에 빛을 쪼여주어 나노선의 전기적 특성이 변화함을 보여주는 모식도
나노선 트랜지스터 통해 기기 제작 간소화할 수 있을 것으로 기대
연구팀을 이끄는 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 신개념 컴퓨터 개발 등에 적용이 가능할 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 전했다.
한편 연구팀은 반도체 나노선이 너무 작아 전자현미경으로도 잘 보이지 않기 때문에 연구에 어려움을 겪었다고 밝혔다. 정밀한 소자 제작을 위해서는 다공성 실리콘의 위치를 정확히 알아야 하는데, 고성능의 전자현미경으로도 구별이 잘 되지 않아 연구 초반에는 어려움이 많았다고 한다. 하지만 연구팀은 다공성 실리콘에서 빛이 많이 산란되는 특징을 확인해 오히려 성능이 떨어지는 일반 광학현미경으로 다공성 실리콘의 위치를 정확히 파악할 수 있게 됐다. 측정할 때는 작은 다공성 실리콘 부분에만 레이저를 정확히 조사하기 위해 단단한 샘플 폴더를 사용했고, 추가 진공에 대비해 수 시간의 측정 과정동안 모든 연구원들이 거의 움직일 수 없었던 적도 있다고 한다.
▲ 그림 2. 다공성 실리콘이 단결성 실리콘 나노선에 부분적으로 삽입되어
있음을 보여주는 전자현미경 사진
연구팀은 이번 연구가 전기적 특성을 제어했다는 점에서 색다른 연구였다고 설명했다. 현재까지의 트랜지스터 연구는 전기 신호로 전기적 특성을 어떻게 제어할 수 있는지에 초점이 맞춰졌고 빛은 그 효과를 증대시키기 위한 보조적 수단으로 쓰여왔다. 하지만 이번 연구에서는 전기적 특성을 제어하는 방법으로 오직 빛만을 이용해 전기 신호를 더욱 쉽고 효율적으로 제어했다. 특히 전기 신호가 천만 배까지 증폭됨으로써 논리 회로 및 광검출기를 손쉽게 개발할 수 있었다고 한다. 연구팀은 높은 비용과 기술적 노력 없이도 고성능 전자 소자를 제작해낸 것에 대해 자부심을 보였다.
▲ 그림 3. 다공성 실리콘에 레이저를 조사했을 때 레이저 세기가 커짐에 따라 전류가 커지고 있다.
