GIST(광주과학기술원)는 도용주 물리·광과학과 교수팀이 반도체 나노선(반도체 물질로 이뤄진 나노 막대 또는 나노선 모양의 일차원 나노구조체)을 이용해 작동 온도와 최고 임계 전류를 향상시킨 `초전류 트랜지스터` 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.
기존 초전류 트랜지스터에 비해 작동 성능이 대폭 향상돼 초전류 트랜지스터를 활용한 양자 컴퓨터 소자 구현 및 실용화 연구에 기여할 것으로 기대된다.
초전류 트랜지스터는 게이트 전극에 전압을 인가함으로써 초전류의 개폐를 작동시키는 양자 물리학 원리를 응용한 트랜지스터 소자로, 양자컴퓨터 단위 소자인 큐빗으로 사용될 수 있다. 초전도 물질은 저항이 0인 상태를 유지함으로써 열손실 없이 전류를 흐르게 하는 장점을 갖지만, 이를 소자로 충분히 활용하기 위해서는 초전류의 개폐를 자유롭게 제어할 수 있어야 한다.
초전류 트랜지스터는 반도체 나노선 내부의 수송 전하 개수를 인위적으로 조절함으로써 초전류의 흐름을 조절할 수 있다. 서로 다른 물질인 초전도체 전극과 반도체 물질 사이에 생기는 장벽 때문에 트랜지스터에 흐르는 초전류의 크기는 매우 작은 값을 갖는다.
초전류는 온도가 만들어 내는 열 잡음에 취약하다. 이를 활용한 초전도 트랜지스터는 절대온도 1켈빈(1K=영하 272℃)의 극저온 상태에서만 작동해 응용에 어려움이 있다.
도 교수팀은 황화납 반도체 나노선에 납·인듐 합금으로 이루어진 초전도 전극을 부착해 고품질 접합을 형성함으로써 초전류의 임계 전류값을 기존 대비 100배 이상 향상시키고, 작동 온도도 5배 이상 상승시킨 초전류 트랜지스터를 개발했다.
기존 초전류 트랜지스터의 경우 초전류의 최대 임계 전류값이 0.1마이크로암페어(μA) 안팎이고 작동 온도는 절대온도 1켈빈 이하인데 비해 연구팀이 개발한 초전류 트랜지스터는 10μA 이상의 임계 전류값을 기록했다. 4켈빈(약 영하 268도로 액체 헬륨의 온도에 해당함) 안팎의 온도에서 작동 가능하다.
도용주 교수는 “이번 성과는 극저온에서만 작동하던 기존 초전류 양자 소자의 작동 온도를 액체 헬륨 온도(4.2 켈빈)까지 향상시켰다는 데 의의가 있다”며 “향후 작동 온도뿐만 아니라 위상학적으로도 안정적인 양자 상태를 지속시킬 수 있도록 위상 절연체를 이용한 초전류 트랜지스터를 개발할 계획”이라고 말했다.
위상 절연체는 일반 절연체와 유사하게 에너지 간극을 가지면서 위상학적 조건을 따라 절연체 표면이 금속성 전기 전도도를 갖는 신물질이다. 위상 절연체 초전류 트랜지스터에서 생성되는 양자 상태는 기존 반도체 기반의 초전류 트랜지스터보다 안정적이다. 향후 초전류 기반의 양자컴퓨터 구현과 마요라나 페르미온 같은 특이한 인공 준입자 검출 연구에서 결정적인 역할을 할 것으로 전망된다.
도 교수(교신저자)가 주도하고 김범규 박사(제1저자, 박사 후 연구원)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견 핵심 사업과 선도형 연구센터(SRC)의 지원을 받았다. 나노분야 권위지 학술지인 ACS나노(ACS Nano) 온라인에 최근 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
