초저전력 반도체, 극저온 동작…'양자컴퓨터용' 소자 나왔다

김상현 카이스트(KAIST·한국과학기술원) 전기및전자공학부 교수 연구팀이 최근 양자컴퓨터용 반도체 소자를 개발했다. 사진은 연구개발과 관련 없음. / 사진=게티이미지뱅크

국내 연구진이 극저온에서 동작하는 초저전력 반도체 소자·회로 기술을 개발했다. 이 기술은 대형 양자컴퓨터 핵심 소자로 사용 가능할 전망이다.

31일 한국연구재단에 따르면, 김상현 카이스트(KAIST·한국과학기술원) 전기및전자공학부 교수 연구팀은 기존 CMOS(상보형 금속산화막 반도체) 한계를 극복한 3차원 소자와 극저온에서 동작하는 초저전력 반도체 소자·회로 기술을 개발했다. 관련 연구는 국제전자소자학회에 발표됐다.


전 세계 공학자들은 논리 연산을 하는 반도체 '로직 소자'를 소형화하기 위해 노력해왔다. 하지만 물리적 한계로 더이상 소형화가 어렵고, 소형화를 한다고 하더라도 배선의 선폭 감소 등으로 성능을 늘리기 어려운 한계가 있었다.

이에 따라 '모놀리식 3차원 집적기술'(M3D)이 주목받고 있다. 기존의 적층 기술과 달리 단일 회로를 3차원으로 적층해 집적도를 높이고, 소자를 연결하는 배선 저항을 획기적으로 줄일 수 있어서다. 다만 적층이 까다롭고, 상부 소자 공정에 열을 가하면 하부 소자가 쉽게 손상되는 어려움이 존재한다.

연구팀은 M3D 기술을 고도화해 이같은 한계를 극복했다. 고성능 게르마늄/실리콘(Ge/Si) 하이브리드 CFET(상보형 전계 효과 트랜지스터)을 개발해 기존 한계를 넘어섰다. 또 극저온에서 동작하는 '고집적도·초저전력 반도체 소자·회로'를 개발했다.


이 기술은 초전도체 혹은 실리콘(Si) 양자점을 사용하는 양자컴퓨터에 적합할 것으로 기대된다. 양자컴퓨터는 일반 컴퓨터와 달리 극저온에서 동작하며 수만 개의 회로로 연결돼 있다. 특히 양자컴퓨터에 들어가는 저잡음 증폭기 소자는 극저온 작동하면서 열 발생이 최대한 적어야 하므로 초저전력 소자가 구현돼야 한다.

연구팀은 극저온에서 동작하는 저저항, 초저전력 저잡음 증폭 소자와 라우팅(네트워크 경로설정) 소자를 구현했다. 또 반도체 소자 성능을 나타내는 '정공 이동도'를 세계 최고 수준으로 구현했다. 이에 따라 연구팀이 구현한 반도체 소자와 공정 기술은 향후 양자컴퓨터용 소자 개발에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

김상현 교수는 "이번 연구는 적층 공정과 소자 제작 시 필요한 높은 공정 온도를 억제하는 독자적인 저온 공정을 개발해 기존 기술의 한계를 극복한 것"이라며 "미래 과학기술 변화를 주도할 차세대 반도체 기술이 양자컴퓨터의 핵심 소자 등으로 광범위하게 사용될 수 있도록 후속 연구에 힘쓰겠다"고 밝혔다.