울산과학기술원(UNIST)이 6G 통신 등에 필수적인 초고속 작동 능력을 갖춘 차세대 양자 소자 개발에 성공했다.

UNIST 물리학과는 아주대 물리학과와 공동으로 기존 양자 소자의 열 손상 문제를 해결한 새로운 테라헤르츠 양자 소자를 개발했다고 30일 밝혔다.

테라헤르츠 양자 소자는 기존 반도체의 느린 작동 속도로는 구현하기 힘든 6G 통신 등 초고속 신호 처리를 실현할 차세대 소자로 주목받고 있다. 1초에 수조(10¹²) 번 진동하는 테라헤르츠파로 유도한 전자의 터널링을 활용하기 때문이다. 터널링은 전자가 에너지벽을 뚫고 통과하는 양자 현상이다.

그러나 터널링을 발생 시키려면 3V/nm라는 매우 강한 테라헤르츠파 전기장이 필요했다. 강한 전기장은 발열을 일으켜 소자의 금속 전극을 녹이거나 구조를 파괴하는 한계가 있었다.

연구팀은 기존보다 1/4 수준의 약한 전기장에서도 터널링이 원활하게 일어나는 테라헤르츠 양자 소자를 만들어냈다. 금속 전극 사이의 절연체를 기존 산화알루미늄(Al₂O₃)에서 이산화티타늄(TiO₂)으로 교체한 것이다. 이산화티타늄을 사용하면 에너지장벽 높이가 낮아지는 원리를 적용했다.

제1저자인 지강선 연구원은 "강한 전기장으로 전자를 밀어내는 방식이 아닌, 전자가 더 쉽게 이동할 수 있는 길을 열어주는 접근법"이라며 "터널링은 확률적 현상이라 에너지 장벽 높이가 낮아지면 확률이 급격하게 증가한다"고 설명했다.

연구팀은 최적화된 원자층 증착 공정으로 이 같은 구조의 고품질 소자를 제작했다. 이산화티타늄 박막을 금속 전극 위에 입히면 원자 크기의 미세 구멍이 생기는 불량이 자주 발생한다.

이상운 아주대 교수는 "반도체 로직·메모리 소자 양산 공정에서 쓰이는 최신 원자층 증착 기술을 적용해 차세대 양자 소자의 산소 공극 결함을 잡아낼 수 있었다"고 말했다. 원자층 증착은 원료 기체를 번갈아 주입해 기판에 원자 한 층씩 박막을 쌓아가는 기술이다.

개발된 소자는 약 0.75 V/nm의 전기장에서도 안정적인 터널링 구동을 보였다. 또 이산화티타늄의 우수한 열 배출 성능 덕분에 테라헤르츠파 투과율을 최대 60%까지 조절하는 조건에서도 1000회 이상 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다.

박형렬 UNIST 교수는 "테라헤르츠 양자 소자의 상용화를 막던 가장 큰 걸림돌인 고전압 구동과 열 파괴 문제를 근본적으로 해결했다"며 "6G 시대를 넘어선 미래 광통신 소자, 고감도 양자 센싱 분야의 원천 기술이 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 나노과학 분야 세계적 권위지인 ACS Nano에 12월 20일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP) 등의 지원으로 이뤄졌다.