충북대학교(총장 고창섭) 신소재공학과 조병진 교수가 임보규 공업화학과 교수, 김한슬 신소재공학과 교수와 함께 진행하는 공동 연구팀이 한국연구재단에서 지원하는 '2025년도 글로벌기초연구실지원사업(Global Basic Research Lab. (GBRL)'에 최종 선정됐다.

2025년 6월부터 2027년 5월까지 총 3년 동안 총 15억 원의 연구비를 지원받아 연구를 수행하게 된다.

이번 선정 과제는 '저차원 융합형 초박막 기반 초경사 트랜지스터 글로벌 기초연구실'로 연구팀은 종래의 실리콘 트랜지스터에서 상온 열전자로 인한 저전력 구동 한계를 극복하기 위해 높은 신뢰성의 60 mV/dec 이하 문턱전압이하 스윙값(subthreshold swing, SS)을 갖는 저차원 소재 융합형 콜드소스 트랜지스터(cold-source transistor, CSFET)를 개발한다.

특히 CSFET 기반 PN 통합형 로직 어레이 집적화 기술 개발을 통해 차세대 초절전 반도체 칩렛 재분배층의 혁신적 응용을 위한 기반 기술로 활용될 예정이다.

이번 연구는 전주기적 멀티스케일 시뮬레이션 기반의 소재 물성-소자 특성 분석을 바탕으로 고순도, 고결정성의 저차원 반도체 소재와 선형적인 전자 밀도를 갖는 이차원 콜드 소스 소재의 이상적인 계면 접합 기술 및 게이트 오버랩 구조 최적화를 통해 초저전력 초경사 (SS < 60 mV/dec) 특성을 갖는 CSFET 및 로직/어레이 집적화 칩을 개발함으로서 체계적인 CSFET 소자 기술 정립 부재와 기술 성숙도 한계를 극복하는데 목표를 뒀다.

이를 위해 먼저 카본나노튜브 고순도 정제 기술을 바탕으로 고이동도 저차원 반도체 채널/이차원 콜드소스 소재 합성과 신구조 CSFET 소자를 개발하고, 해당 기술과 밀도함수이론, 전하주입 시뮬레이션을 통해 CSFET 구동원리를 규명하고 p-, n-CSFET 소자 성능 최적화 및 로직 소자를 개발한다.

최종적으로 이론-실험 연계 소자 개발법 정립을 통한 32✕32 어레이 집적화 공정 기술을 개발해 차세대 패키징 칩렛 재분배층 적용 기술을 발굴한다. 

아울러 실제 초경사 CSFET 기반 기술의 개발을 위해 콜드 소스와 효과적인 전하 전달 계면을 이루는 다양한 저차원 채널 소재에 대한 이론 기반 이해, 해당 소재의 제어, 단위소자 구현, 로직소자 구성원리 및 집적화 구현 방법에 이르는 전 범위의 통합적인 연구를 수행하고 관련 원천 기술을 확보함으로써 전 세계적으로 아주 극초기 단계에 있는 초저전력 CSFET 소자 및 응용 기술을 선점하는 것이다.

본 기초연구실 개발 성과는 향후 다양한 메모리 및 부품 소자와의 monolithic integration에도 적용 가능하며, 기존 단순한 배선 연결을 넘어, 지능적인 데이터 처리와 에너지 효율을 지원하는 기술로 활용이 가능하다.

특히 현재 저전력이 반드시 필요한 엣지 컴퓨팅 환경 하에서 새로운 트랜지스터 기반의 프로세서를 발전시켜 엣지 디바이스의 초지능화 요구에 부응하는 핵심 기술을 제공할 수 있다.

한편 연구팀은 미국 Northeastern university의 Yung Joon Jung 교수 연구팀과 협력하여 반도체 채널/CS 계면 특성 향상 연구 및 소재 분석 심화 연구를 진행할 계획이다.

이를 위해 공동연구 MOU 체결 및 인력 교류를 통해 연구 협력을 강화하고 국제 연구 네트워크 구축에도 나설 예정이다.

충청비즈  cbiz0419@naver.com

<저작권자 © 충청비즈, 무단 전재 및 재배포 금지>