기가헤르츠보다 대역이 1000배 넓은 테라헤르츠 주파수를 활용할 수 있는 길이 열렸다. 초고대역 주파수 자원 발굴로 주파수 고갈 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대됐다.
김경록 울산과학기술대(UNIST) 전기전자컴퓨터공학부 교수팀은 특정 조건에 놓인 실리콘 반도체의 전자가 테라헤르츠(초당 1조번 진동하는 고주파수 대역) 진동을 보이며 이동할 수 있음을 알아냈다고 19일 밝혔다.
상용 실리콘 소자가 테라헤르츠(㎔) 주파수 대역에서도 작동할 가능성이 제시한 셈이다. 연구진은 기존 실리콘 반도체에서 테라헤르츠 진동과 10~100배 빠른 전자 움직임을 최초로 입증했다.
지금까지 실리콘 소자로는 초당 10억번 진동하는 기가헤르츠(㎓) 진동 속도 이상의 전자 이동은 불가능하다고 여겨졌다. 이 때문에 전자제품은 기가헤르츠 대역 주파수만을 사용해왔다. 실리콘 반도체 한계를 극복하기 위해 화합물 반도체를 개발하고 있지만 가격이 비싸다.
연구진은 기존 실리콘 반도체에서도 전자가 테라헤르츠 주파수로 진동할 수 있는 가능성을 제시했다. 반도체 소스와 드레인 전극에 특정 조건을 걸면 개별적으로 이동하던 전자가 집단적으로 이동하는데, 이동 속도가 10~100배 빨라지고 전자 밀도(플라즈마)의 증감 파형이 테라헤르츠 주파수를 나타냈다.
초고주파 작동이 불가능한 것으로 여겨졌던 저가의 실리콘 반도체에서도 ㎔ 대역의 플라즈마파 발진 가능성을 처음으로 밝힌 것이다. 이 같은 실리콘 소자의 크기도 현재 기술로 가능한 나노미터(㎚) 수준임을 확인해 테라헤르츠 기술 상용화가 빨라질 것으로 기대됐다.
연구진은 또 플라즈마파 발생 원리를 규명할 수 있는 플라즈마파 트랜지스터(PWT) 성능평가법을 개발해 국내외 특허 출원을 마쳤다.
김 교수는 “테라헤르츠 기술 상용화에 한 걸음 다가섰다”며 “원천기술을 기반으로 포화 상태인 상용 실리콘 반도체 시장을 테라헤르츠 이미징, 분광, 초고속·대용량 통신 등으로 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
연구는 미래창조과학부 미래유망융합기술파이어니어사업 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제전기전자공학회(IEEE)가 주관하는 나노테크놀로지 학회(IEEE-NANO)에서 ‘차세대 나노전자소자’ 분야 우수 논문으로 선정돼 20일 발표될 예정이다.
송준영기자 songjy@etnews.com