기계/재료

그래핀 베이스 고속 트랜지스터 제조

발행일 : 2019 / 10 / 30

중국과학원 금속연구소 선양(沈陽)재료과학 국가연구센터 선진탄소재료연구부 연구팀은 최초로 쇼트키 접합(Schottky junction)을 이미터 접합(Emitter junction)으로 하는 수직구조 트랜지스터 “규소-그래핀-게르마늄 트랜지스터”를 개발하여 그래핀 베이스 영역 트랜지스터의 지연시간을 1,000배 이상 단축시킴과 아울러 차단주파수를 MHz에서 GHz 영역으로 향상시킴으로써 향후 THz 영역의 고속 소자에 응용될 전망이다. 해당 성과는 “Nature Communications”에 온라인으로 게재됐다.

1947년, 벨 실험실에서 첫 양극성 접합 트랜지스터(Bipolar junction transistor, BJT)를 개발하여 인류사회의 정보기술 새 시대를 열었다. 지난 십여 년 동안 BJT의 작동 주파수 향상이 연구의 핵심으로 되었으며 바이폴러 트랜지스터(HBT) 및 열전자 트랜지스트(HET) 등 고속 소자가 개발됐다. 하지만 주파수를 한층 더 향상시키는 과정에서 HBT의 차단주파수는 최종적으로 베이스 영역 주행시간의 제한을 받고 HET는 무공극, 저저항초박형 금속 베이스 영역 제조가 어려운 문제점이 존재한다.

최근 그래핀은 성능이 뛰어난 2차원 재료로 떠오르고 있다. 따라서 그래핀을 베이스 영역 재료로 트랜지스터를 제조할 데 관한 방안이 제안됐다. 그래핀의 원자급 두께로 베이스 영역 주행시간의 제한을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 그래핀의 초고속 캐리어 이동도(Carrier mobility)로 고품질 저저항 베이스 영역 달성을 일조할 수 있다.

기존의 그래핀 베이스 영역 트랜지스터는 보편적으로 터널 이미터 접합을 사용했다. 따라서 터널 이미터 접합의 퍼텐셜 장벽은 해당 트랜지스터 기반 고속 전자소자 개발을 매우 크게 제한했다. 연구팀은 반도체 박막 및 그래핀 전이 공법을 통해 최초로 쇼트키 접합을 이미터 접합으로 하는 수직구조 규소-그래핀-게르마늄 트랜지스터를 제조했다. 기존의 터널 이미터 접합에 비하여 규소-그래핀 쇼트키 접합은 현재까지 최대의 온 상태(On state) 전류 및 최소의 이미터 접합 전기용량을 보유함으로써 가장 짧은 이미터 접합 충전시간을 획득할 수 있기에 소자의 총 시간지연을 1,000배 이상 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 소자의 차단주파수를 약 1.0MHz에서 약 1.2GHz로 향상시킬 수 있다. 연구팀은 해당 수직구조 트랜지스터의 다양한 물리적 현상에 대하여 분석함과 아울러 실험 데이터 모델링을 기반으로 해당 소자는 THz 영역에서 작동할 수 있는 잠재력을 보유하고 있음을 발견했다. 이는 그래핀 베이스 영역 트랜지스터의 성능을 대폭 향상시킴으로써 향후 초고속 트랜지스터 개발에 기반을 마련했다.