양자소자 원천기술 개발…번개보다 수백배 강한 전기장 문제 해결

UNIST·아주대 연구팀 "6G 속도 넘어 미래 광통신 구현 가능"

(지디넷코리아=박희범 기자)피코초인 1조분의 1초 영역에서 전자를 제어할 수 있는 차세대 양자 소자 원천 기술이 개발됐다. 실험실 수준이지만, 초저전력으로 작동하는 차세대 광전 소자나 에너지 하베스팅 시스템, 양자센싱 플랫폼 구현을 앞당길 것으로 기대됐다.

UNIST는 물리학과 박형렬 교수 연구팀이 아주대 물리학과 이상운 교수팀과 새로운 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다고 30일 밝혔다.

양자소자가 기존에 나와 있지만, 강한 전기장에서는 녹아 내리는 단점이 있다. 반면 테라헤르츠 양자 소자는 처리 속도가 빨라 6G 통신 등 초고속 신호 처리에 적합하다. 1초에 수조(10¹²) 번 이나 진동하는 테라헤르츠파로 유도한 전자 터널링을 이용하기 때문이다.

테라헤르츠 전기장에 의해 유도되는 양자 터널링 현상을 나타냈다. 그림 a는 개발된 양자 터널링 소자 구조, b와 c는 양자소자 단면 투과전자현미경 이미지와 광학 현미경 사진, d는 터널링 발생 원리, e는 양자소자 내부 전기장 증폭 모습, f는 소자 내부 전기장 변화를 보여준다.(그림=UNIST)

그러나 이에도 문제가 있다. 터널링을 일으키기 위해 3V/nm(볼트/나노미터)라는 강력한 테라헤르츠파 전기장을 가해줘야 한다. 강한 전기장은 발열을 일으켜 소자 금속 전극이 녹거나 구조가 손상된다.

3V/nm는 나노미터에 3V를 가하는 것과 같다. 번개보다 수백배 강한 전기장 세기다. 키 160cm인 사람에 비유하면, 48억 V 전압을 맞은 것에 해당한다. 

연구팀은 이에 기존 전기장 대비 4분의 1수준에서도 터널링이 잘 일어나는 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다. 이 소자는 금속 전극 사이에 끼어있는 절연체를 산화알루미늄(Al₂O₃)대신 이산화티타늄(TiO₂)으로 바꿔 만들었다. 이산화티타늄이 에너지장벽 높이를 낮추는 원리에 착안했다.

제1저자인 지강선 연구원은 “강한 전기장으로 전자를 밀어내는 방식이 아닌, 전자가 더 쉽게 이동할 수 있는 길을 열어주는 접근법”이라며 “터널링은 확률적 현상이라 에너지 장벽 높이가 낮아지면, 확률이 급격하게 증가하게 된다”라고 설명했다.

연구팀은 최적화된 원자층 증착 공정을 이용해 고품질 소자를 제작했다. 원래 이산화티타늄 박막을 금속 전극 위에 입히게 되면, 원자 크기의 미세 구멍(산소 공극)이 만들어지는 불량이 발생한다.

이상운 아주대학교 교수는 “반도체 로직·메모리 소자 양산 공정에서 쓰이는 최신 원자층 증착 기술을 적용해 차세대 양자 소자의 산소 공극 결함을 잡아낼 수 있었다”고 말했다.

원자층층착은 원료 기체를 번갈아가며 주입해 기판에 원자 박막을 한층씩 쌓아가는 기술이다.

개발된 소자는 약 0.75 V/nm 전기장에서도 안정적인 터널링 구동을 보였다. 또 이산화티타늄의 열 배출 성능 덕분에 테라헤르츠파 투과율을 최대 60%까지 조절하는 조건에서도 1천회 이상 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다.

양자터널링 소자를 개발한 연구진. 왼쪽부터 박형렬 UNIST 교수, 이상운 아주대 교수, 지강선 UNIST 연구원(제1저자).(사진=UNIST)

박형렬 UNIST 교수는 "테라헤르츠 양자 소자 상용화를 가로막던 가장 큰 걸림돌인 고전압 구동과 열 파괴 문제를 근본적으로 해결했다"며 "6G 시대를 넘어선 미래 광통신 소자, 고감도 양자 센싱 분야의 원천 기술이 될 것"이라고 강조했다.

연구는 나노과학 분야 국제학술지(ACS Nano)에 온라인으로 게재됐다. 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)