국내 연구진이 전압 변화와 관계없이 전류를 일정하게 유지할 수 있는 새로운 트랜지스터 동작 원리를 발견했다. 연구진은 이를 바탕으로 ‘플래토 트랜지스터’를 구현하는 데 성공해 차세대 반도체 기술 발전의 가능성을 제시했다.

성균관대학교는 이 대학 소속 나노과학기술원(SAINT) 강보석·박지상 교수 연구팀과 광주과학기술원(GIST) 김현호 교수 연구팀이 공동연구를 통해 전압이 높아져도 전류가 일정하게 유지되는 트랜지스터를 개발했다고 2일 밝혔다.

최근 인공지능(AI)과 빅데이터 확산으로 반도체의 데이터 처리 부담이 커지면서 기존 이진법(0과 1) 기반 반도체의 성능 향상에는 한계가 있다는 지적이 나온다. 이에 따라 하나의 소자가 여러 신호를 표현할 수 있는 다진법 반도체가 차세대 기술로 주목받고 있다.

다진법 반도체는 동일한 정보 처리를 위해 필요한 소자 수를 줄일 수 있어 회로를 단순화하고 전력 소비를 낮출 수 있다. 하지만 이를 구현하기 위해서는 특정 전압 구간에서 전류가 증가하거나 감소하지 않고 일정하게 유지되는 특성이 필요해 기술적 난제로 꼽혀 왔다.

공동연구팀은 2차원 반도체와 코발트페라이트 계면에서 발생하는 전자와 폴라론(polaron)의 상호작용에 주목했다. 연구 결과 전압 변화에 따라 폴라론이 생성되고 사라지는 과정에서 전류 흐름을 정밀하게 제어할 수 있다는 사실을 확인했다.

이를 바탕으로 연구진은 전압이 변해도 전류가 평탄하게 유지되는 ‘플래토 구간’을 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 기존 반도체 소자에서는 구현이 쉽지 않았던 특성을 확보한 것이다.

연구진은 이번 성과가 초저전력 다진법 반도체 개발의 핵심 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 향후 복잡한 반도체 회로를 줄이고 데이터 처리 효율을 높이는 차세대 컴퓨팅 기술 개발에도 도움이 될 것으로 전망했다.

강보석 교수는 “이번 연구는 기존 반도체 소자의 한계를 넘어 다진법 반도체 구현 가능성을 보여준 성과”라며 “보다 빠르고 에너지 효율이 높은 미래형 컴퓨터 소자 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구에는 성균관대 박효광 연구원과 금오공과대학교 메흐무드 칼리드 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’에 게재됐다.