韓 연구진 극저온 환경서 끄떡없는 양자컴용 반도체 소자 개발

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반도체 소자의 기본 재료가 되는 실리콘 웨이퍼. 게티이미지뱅크

회로를 3차원으로 쌓아 기존 반도체의 전력 한계를 극복할 수 있는 초저전력 반도체 소자가 개발됐다. 

극저온에서 작동하는 대형 양자컴퓨터의 핵심 소자로 사용 가능할 전망이다.

한국연구재단은 김상현 KAIST 전기 및 전자공학부 교수팀이 개선된 모놀리식 3차원 집적기술( M3D )을 이용해 극저온에서 동작하는 초저전력 반도체 소자와 회로기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

연구팀이 주목한 것은 논리 연산을 하는 전자소자인 로직 소자다. 

양자컴퓨터를 구현하기 위해 성능 개발이 절실한 핵심소자 중 하나다. 

그간 로직 소자는 소형화 공정 기술 개발을 통해 집적도와 성능을 높여왔지만 소자가 작아지면 배선의 선폭이 감소하고 저항과 전력 소모가 늘어난다는 한계가 있었다. 

게다가 물리적인 한계로 더 이상의 소형화는 어려운 상황이었다.

이런 문제를 극복하기 위해서는 차세대 반도체 기술인 모놀리식 3차원 집적기술을 활용할 수 있다. 

기존 적층기술과 달리 단일 회로를 3차원으로 쌓아 집적도를 높이면서도 소자를 연결하는 배선을 획기적으로 줄일 수 있는 방법이다. 

다만 적층 시 열을 계속 가해야 해 낮은 층의 소자가 손상되는 등 공정이 매우 까다로웠다.

연구팀은 적층공정 및 소자 제작 시 온도를 높이지 않아도 되는 저온공정을 개발해 기존 기술의 한계를 극복했다. 

또 이를 활용해 극저온에 동작하면서 집적도가 높고 초저전력으로 동작하는 반도체 소자 및 회로를 개발했다. 

양자컴퓨터는 영하 273도의 극저온에서 구동이 가능한데 이 소자를 이용하면 대형 양자컴퓨터에 필요한 수만 개의 큐비트(양자 정보의 기본 단위)를 적은 수로도 제어·판독할 수 있다.

연구팀은 이번에 개발한 반도체 소자 및 공정기술이 앞으로 양자컴퓨터용 소자 개발에 광범위하게 활용되고 기존 로직 소자의 기술적 성능을 크게 끌어올릴 것으로 내다봤다.

김 교수는 "이번 연구 성과는 기존 반도체 기술의 한계를 극복하고 성능을 극대화한 차세대 반도체 기술을 개발했다는 데 의의가 있다"며 "미래 과학기술 변화를 주도할 차세대 로직 및 양자컴퓨터의 핵심 소자로 광범위하게 사용될 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다"고 말했다.

연구 결과는 지난해 국제학술지 '국제전자소자학회( IEDM )'에 2편의 논문으로 6월과 12월 각각 발표됐다.