저전력·고성능에 극저온 버티는 차세대 반도체, 국내 연구진이 개발

김상현 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀

김상현 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수. /한국연구재단 제공

극저온에서 작동하는 대형 양자컴퓨터에 필요한 핵심 부품이나 적은 전력으로 빠른 계산이 가능한 차세대 반도체를 제조할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

한국연구재단은 31일 김상현 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수 연구팀이 기존 CMOS 기반 로직 반도체 소자의 한계를 극복할 3차원 로직 소자와 극저온에서 동작하는 초저전력 반도체 소자 및 회로기술을 개발했다고 밝혔다.

CMOS는 주로 소형컴퓨터, 휴대용 계산기에 들어가는 칩으로 소비전력이 적지만 동작속도가 느리다는 단점이 있다. 로직 반도체 소자는 논리 연산에 쓰이는 전자 부품이다.

지금껏 로직 반도체 소자는 꾸준히 소형화되긴 했으나 물리적 한계로 인해 전력 소모가 늘어나는 과정을 겪었다. 이에 김 교수 연구팀은 ‘모놀리식 3차원 집적 기술’을 통해 극저온에 동작하면서 집적도가 높아 속도가 빠르며 초저전력으로 작동하는 반도체 소자를 개발했다.

모놀리식 3차원 집적기술은 반도체 소자 정렬도를 극대화할 수 있는 최신 기술이다. 최근 반도체 제조 공정에는 3차원으로 부품들을 쌓아 올려 조립하는 방식이 쓰이고 있다. 기존 3차원 제조공정이 부품 하나하나를 만들어 조립하는 식이었다면 모놀리식 3차원 집적기술은 모든 부품을 한꺼번에 일체형으로 만들어 조립이 부정확하게 될 가능성을 극도로 줄였다.

연구팀이 만든 반도체 소자는 양자컴퓨터에도 쓰일 수 있다. 양자컴퓨터는 동시에 여러 가지 상태로 존재할 수 있는 양자의 성질을 이용해 만든 컴퓨터로 슈퍼컴퓨터보다 계산 속도가 훨씬 빠르다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 극저온에서 작동하며 수만 개의 회로로 연결돼 있어 여기에 쓰이는 반도체 소자는 극저온을 버티면서도 회로 손상이 없도록 열 발생이 최대한 적어야 한다.

연구팀이 개발한 반도체 소자와 제조 공정 기술은 앞으로 양자컴퓨터용 소자 개발에 널리 활용될 것으로 보인다. 또 기존 로직 반도체 소자의 기술적 성능을 크게 끌어올릴 것으로 기대된다.

김 교수는 “이번 연구성과는 기존 반도체의 기술적 한계를 극복하여 성능을 극대화한 차세대 반도체 기술을 개발한데 의의가 있다”며 “미래 과학기술 변화를 주도할 차세대 로직 및 양자컴퓨터의 핵심 소자로 광범위하게 사용될 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다”고 말했다.

이번 연구 성과가 담긴 논문 2편은 국제 반도체 소자 학회인 ‘국제전자소자학회(IEDM)에 게재됐다.

참고 자료

International Electron Devices Meeting, DOI: https://doi.org/10.1109/IEDM45625.2022.10019551, https://doi.org/10.1109/IEDM45625.2022.10019363

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