지스트, 작동 온도·임계 전류 향상 '초전류 트랜지스터' 개발

송고 2017.01.22 14:27 | 수정 2017.01.22 14:27
강승혁 기자 (kang0623@ebn.co.kr)

절대온도 4켈빈서 작동, 임계 전류도 100배 향상…초전류 양자소자 활용 가능성 높여

도용주 교수팀, 나노 분야 전문 학술지 ACS Nano 논문 게재

황화납(PbS) 반도체 나노선을 이용한 초전류 트랜지스터의 전자현미경 사진(왼쪽), 황화납 초전도 트랜지스터에 마이크로파를 쪼였을 때 특징적으로 나타나는 전압의 양자화 효과를 입증하는 전류(x축)-전압(y축) 특성 실험 결과.ⓒ지스트

지스트(GIST)는 도용주 교수팀(물리·광과학과)이 반도체 나노선을 이용해 작동 온도와 최고 임계 전류를 향상시킨 '초전류 트랜지스터' 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.

이번 연구는 기존 초전류 트랜지스터에 비해 작동 성능을 대폭 향상시킴으로써 초전류 트랜지스터를 활용한 양자 컴퓨터 소자 구현 및 실용화 연구에 크게 기여할 것으로 전망된다.

초전도 물질은 저항이 0인 상태를 유지함으로써 열손실 없이 전류를 흐르게 하는 장점을 갖지만 이를 소자로 충분히 활용하기 위해서는 초전류의 개폐(on/off)를 자유롭게 제어할 수 있어야 한다.

이를 위해 연구되고 있는 초전류 트랜지스터는 반도체 나노선 내부의 수송 전하 개수를 인위적으로 조절함으로써 초전류의 흐름을 조절할 수 있는데, 서로 다른 물질인 초전도체 전극과 반도체 물질 사이에 생기는 장벽 때문에 트랜지스터에 흐르는 초전류의 크기는 매우 작은 값을 갖는다.

작은 크기의 이 초전류는 온도가 만들어 내는 열 잡음에 취약하기 때문에 초전도 트랜지스터는 절대온도 1켈빈(1K=영하 272℃)의 극저온 상태에서 작동할 수밖에 없는 상황이어서 응용에 어려움이 있다.

연구팀은 황화납 반도체 나노선에 납·인듐 합금으로 이뤄진 초전도 전극을 부착해 고품질 접합을 형성함으로써 초전류의 임계 전류값을 기존 대비 100배 이상 향상시키고 작동 온도도 5배 이상 상승시킨 초전류 트랜지스터를 개발했다.

기존 초전류 트랜지스터의 경우 초전류의 최대 임계 전류값이 0.1μA(마이크로암페어) 안팎이고 작동 온도는 절대온도 1켈빈 이하인데 비해, 연구팀이 개발한 초전류 트랜지스터는 10μA 이상의 임계 전류값을 기록했으며 4켈빈(약 영하 268도로서 액체 헬륨의 온도에 해당함) 안팎의 온도에서 작동 가능하다.

도용주 교수는 "이번 성과는 극저온에서만 작동하던 기존 초전류 양자 소자의 작동 온도를 액체 헬륨 온도(4.2 켈빈)까지 향상시켰다는 데 의의가 있다"며 "향후 작동 온도뿐만 아니라 위상학적으로도 안정적인 양자 상태를 지속시킬 수 있도록 위상 절연체를 이용한 초전류 트랜지스터를 개발할 계획"이라고 말했다.

도용주 교수(교신저자)가 주도하고 김범규 박사(제1저자, 박사 후 연구원)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견 핵심 사업과 선도형 연구센터(SRC)의 지원을 받았으며 나노 분야 권위지 학술지인 ACS 나노(ACS Nano) 1월 4일자 온라인에 게재됐다.

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