세계 최고 주파수 특성 차세대 반도체 전자소자 개발, 경북대 김대현 교수팀

경북대 연구진이 서브테라헤르츠(sub-THz) 대역의 6G 차세대 이동통신 시스템에 적용 가능한 세계 최고의 극초고주파 주파수 특성을 가지는 차세대 반도체 전자소자를 개발했다.

경북대 전자공학부 김대현 교수와 박완수 석박사통합과정생은 국내 중견기업인 ㈜큐에스아이, 일본 NTT(Nippon Telegraph and Telephone Corporation) 연구진과의 공동 연구를 통해 세계 최고 수준의 주파수 특성을 갖는 고전자 이동도 트랜지스터 (High-Electron-Mobility Transistor, HEMT) 반도체 전자소자를 개발했다. 이번 연구 성과는 6일(현지시간) 미국 샌프란시스코에서 열린 국제반도체소자학회(이하 IEDM, IEEE International Electron Devices Meeting)에서 발표했다. IEDM은 세계 3대 반도체 학술대회 중 하나다. 특히 김 교수팀의 연구는 이번 IEDM에서 발표된 250편 논문 중 올해 주목할 연구 성과 16편에 선정되기도 했다.

김 교수팀이 개발한 반도체 전자소자는 디지털 동작 속도를 결정하는 차단 주파수(fT)가 0.75THz, 아날로그 및 디지털 시스템의 동작 주파수 대역을 결정하는 최대 공진 주파수(fmax)가 1.1THz인 특성을 가진다. 이는 현재까지 발표된 반도체 전자소자들 중에 가장 빠른 속도다.

김대현 교수는 지난해 IEDM에서 당시 최고 수준의 동작 속도를 가지는 차단 주파수(fT)가 706GHz, 최대 공진 주파수(fmax)가 962GHz 특성을 가진 게이트 길이 30nm의 고전자 이동도 트랜지스터 전자소자 개발 성과를 발표한 바 있다.

연구책임자인 김대현 교수는 “미래의 핵심 반도체 분야는 인공 지능 반도체와 6G 이동 통신용 반도체로 크게 두 가지 분야로 요약되며, 이번 연구 성과는 서브테라헤르츠 대역에서 구현될 것으로 예상되는 차세대 6G 이동 통신 반도체 시스템의 고성능, 고효율 그리고 다기능화에 핵심 원천 기술이 될 것으로 예상된다.”라고 밝혔다. 또한, “경북대와 큐에스아이 연구진은 해당 연구 성과를 산업통상자원부와 유럽 연합에서 지원하는 유로스타 과제에 적용해 세계 최고 수준의 저잡음 특성을 수요기업인 스웨덴 업체에서 최근 검증하기도 했다. 이와 함께 앞으로 폭발적인 연구 개발이 예상되는 양자 컴퓨팅 활성화를 촉진하는 핵심 소재·부품으로도 광범위하게 활용될 것으로 예상된다.”라고 추가적으로 설명했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 과학정보통신부 차세대화합물반도체핵심기술개발사업의 지원을 받아 진행됐다.

• 논문제목: 6G 응용을 위한 테라헤르츠 인듐갈륨비소 고전자이동도 트랜지스터 개발
• 양자 컴퓨팅(Quantum Computing): 양자역학적 현상 기반의 양자비트 (Qubit)을 이용하는 컴퓨팅 방식으로 현재 사용되고 있는 비트(bit) 기반 컴퓨팅에 비하여 빠른 계산이 가능할 것으로 기대되는 기술이다. 양자역학에 기반을 둔 독특한 논리 연산법을 컴퓨터 분야에 도입함으로써 지금의 컴퓨터와는 차원이 다른 새로운 첨단 컴퓨터를 만들 수 있다는 생각에서 나온 것이다. 양자컴퓨터라는 개념은 1982년 미국의 이론물리학자 리처드 파인먼에 의해 처음 제안되었고, 1985년 영국 옥스퍼드대학교의 데이비드 도이치에 의해 그 구체적 개념이 정립되었다.
• 고전자 이동도 트랜지스터(High-Electron-Mobility Transistor, HEMT): 초고속 연산 소자의 일종. 연산 속도는 피코초 단위로, 두 종류 이상의 원소 화합물로 이루어지는 반도체로 갈륨비소(GaAs)·인듐인(InP)·갈륨인(GaP) 등의 3-5족 화합물 반도체(III-V compound semiconductor)가 있다. 주로 인듐갈륨비소(InGaAs)와 인듐알루미늄비소(InAlAs) 및 인듐인(InP)의 중합 구조로 이루어져 있으며 그 내부에 생기는 높은 이동도를 갖는 전자를 게이트 전극을 통해 제어한다. 저마늄(Ge)이나 실리콘(Si) 등 단체(單體)의 반도체와는 캐리어의 이동도, 띠(band) 구조 등이 다르므로 전기적·광학적 성질도 크게 다르다.