삼성전자 종합기술원이 ‘꿈의 신소재’인 그래핀을 활용, 새로운 트랜지스터 구조를 개발했다. 이는 기존 실리콘의 한계를 극복하고 미래 트랜지스터 개발 가능성을 한 단계 높인 것으로 평가되며 세계적 권위의 학술지인 사이언스지 온라인판에 17일자(현지시각)로 게재됐다.

반도체에는 실리콘(Si) 소재의 트랜지스터가 수십억 개씩 들어 있으며 반도체 성능을 높이려면 트랜지스터의 크기를 줄여 전자의 이동 거리를 좁히거나 전자의 이동도가 더 높은 소재를 사용해 전자가 빠르게 움직이게 해야 한다.

이에 따라 높은 전자 이동도를 갖고 있는 그래핀은 실리콘을 대체할 물질로 각광받아 왔지만, 그래핀이 금속성을 지니고 있어 전류를 차단할 수 없다는 점이 문제점으로 지적돼 왔다.

트랜지스터에서는 전류의 흐름과 차단으로 디지털 신호인 ‘0과 1’을 나타내므로 그래핀을 실리콘 대신 사용하기 위해서는 반도체화 하는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나 이 과정에서 그래핀의 이동도가 급감하므로 그래핀 트랜지스터에 대한 회의적인 시각이 많았다.

삼성전자 종합기술원 소속 박성준 전문연구원(오른쪽), 정현종 전문연구원이 이번에 발표한 그래핀소자가 적용된 웨이퍼와 그래핀 구조 모형을 들고 있다.

이번에 삼성전자 종합기술원은 새로운 동작원리를 적용하여 그래핀 자체를 변화시키지 않으면서 전류를 차단할 수 있는 소자를 개발했다. 즉, 그래핀과 실리콘을 접합해 ‘쇼키 장벽(Schottky Barrier)’을 만들고 이 장벽의 높이를 조절하는 방법으로 전류를 켜고 끌 수 있게 했다고 회사측은 설명했다.

쇼키 장벽이란 독일 물리학자인 쇼키가 발견한 금속과 반도체가 만나는 접합에서 생기는 에너지 장벽으로 전하가 금속에서 실리콘으로 흐르는 것을 방해하는 역할을 한다. 일반적인 금속-반도체 접합의 경우 일함수(Work Function)와 쇼키 장벽의 높이가 고정되지만 그래핀의 경우 일함수 조절을 통해 쇼키 장벽을 조절할 수 있다.

장벽(Barrier)을 직접 조절한다는 의미에서 삼성전자는 새로운 소자를 ‘배리스터(Barristor)’로 이름 붙였다. 또한 디지털 신호인 ‘0’ 또는 ‘1’을 상호 변환하는 가장 기본적인 회로인 인버터 등을 제작해 기본 연산(덧셈)을 구현했다.

이번 논문을 통해 삼성전자는 그래핀 소자 연구의 최대 난제를 해결함으로써 추후 연구에 새로운 방향을 제시했고 관련 분야를 선도할 수 있는 기반을 구축한 것으로 평가했다.

한편, 삼성전자 기술원은 현재 그래핀 트랜지스터의 동작방식과 구조와 관련한 핵심 특허 9건을 확보하고 있다고 덧붙였다.