김상현 교수 연구팀이 제작한 Si CMOS기판 상 InGaAs HEMT 단면 주사현미경 이미지(그림제공: KAIST) © 뉴스1

KAIST(대전 유성구 대학로) 김상현교수 연구팀이 기존 통신 소자의 단점을 극복하는 화합물 반도체 소자 3차원 집적기술을 개발했다. 저잡음, 고성능 회로기술로 차세대 통신 및 양자컴퓨팅용 소자에 응용이 기대된다.

14일 KAIST에 따르면 통신 소자는 통상 △실리콘(Si)을 사용해 집적도 높은 Si CMOS를 이용해 증폭 소자 구현 △III-V 화합물 반도체를 증폭 소자로 제작하고 기타 소자들을 Si CMOS로 제작해 패키징 하는 방식 등 2가지 방식으로 구현된다.  그러나 각각의 방식은 △잡음 증가 △공정 복잡성 등 단점이 존재한다.

이에 연구팀은 증폭 소자 이외의 소자 및 디지털 회로에서 좋은 성능을 낼 수 있는 Si CMOS 기판을 소재로 삼았다.

이어 아날로그 신호증폭 성능이 매우 우수한 III-V 화합물반도체 HEMT(High-Electron Mobility Transistor)를 3차원 집적해 Si CMOS와 III-V HEMT의 장점을 극대화하는 공정 및 소자구조를 제시했다. 3층으로 소자를 쌓아나감으로써 같은 기판 위에 집적할 수 있는 방식이다. 이와 동시에 기판 신호간섭에 의한 잡음을 제거할 수 있음을 증명했다.

연구팀은 하부 Si CMOS의 성능저하 방지를 위해 300도 이하에서 상부 III-V 소자를 집적하는 웨이퍼 본딩 등의 초저온 공정을 활용해 상부소자 집적 후에도 하부 Si CMOS의 성능을 그대로 유지할 수 있었다.

또, 고성능 상부 III-V 소자 제작을 위해 InGaAs/InAs/InGaAs의 양자우물 구조를 도입해 높은 전자 수송 특성을 실현했다.

(왼쪽부터) KAIST 전기및전자공학부 김상현 교수, 정재용 박사과정, 한국나노기술원 김종민 박사, 광주과학기술원 장재형 교수© 뉴스1

특히, 100 nm 노드공정 수준으로도 세계 최고수준의 차단주파수 특성을 달성했다.

이는 10 nm 이하급의 최첨단 공정을 사용하지 않고도 그 이상의 우수한 성능을 낼 수 있는 융합기술로, 향후 기존과 다른 형태의 파운드리 비즈니스 방식의 도입 가능성을 증명한 것이다.

연구팀은 이러한 3차원 집적 형태로 소자를 제작함으로써 기존에 SI CMOS에서 존재하는 기판간섭에 의한 잡음을 해결할 수 있음을 실험을 통해 최초로 증명했다.

김상현 교수는 “이번 기술은 향후 양자큐빗의 해독회로에도 응용할 수 있어 그 확장성이 매우 큰 기술”이라며 “다양한 분야에서 활용할 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다”고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 반도체올림픽이라 불리는 ‘VLSI 기술심포지엄’에서 발표됐다.


km5030@news1.kr