'실리콘 나노선' 불순물 특성 세계 첫 규명

KAIST 장기주 교수팀, 붕소·인 움직임·비활성화 메커니즘 밝혀

국내 연구진이 '실리콘 나노선'의 전기 흐름과 직결된 불순물 특성을 밝혀냈다.

KAIST(한국과학기술원)는 물리학과 장기주 특훈교수팀이 산화 처리된 실리콘 나노선에서 전기를 흐르게 하기 위해 첨가한 불순물 붕소(B), 인(P) 등의 움직임과 비활성화를 일으키는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다고 22일 밝혔다.

지금까지는 최첨단 기술로도 10nm(나노미터) 이하의 실리콘 기반 반도체 제작은 불가능한 것으로 알려졌다. 하지만 실리콘 나노선은 굵기가 수 나노미터이기 때문에 보다 획기적인 집적도를 가진 반도체를 구현할 수 있어 차세대 반도체 소자로 기대를 모으고 있다. 실리콘 나노선은 원래 전기가 흐르지 않는데 반도체 소자로 적용하려면 인 또는 붕소와 같은 불순물을 소량 첨가(Doping)해 전자 운반 매개체를 만들어 전기가 흐를 수 있도록 해야 한다. 그러나 덩어리 형태의 기존 실리콘에 비해 나노선에서는 불순물 첨가가 어려울 뿐만 아니라 전기전도 특성을 조절하기 어려웠다.

장 교수 연구팀은 이번 연구를 위해 단순 모형을 이용한 기존 이론을 개선한 획기적 양자시뮬레이션 이론을 고안해 실제와 매우 가까운 '코어-쉘 원자 모델'을 만들었다. 연구팀은 이를 통해 실리콘 코어 내부에 첨가된 붕소 불순물이 산화과정에서 코어를 싸고 있는 산화물 껍질로 쉽게 빠져나가는 원인을 세계 최초로 규명하는데 성공했다. 이와 함께 인 불순물은 산화물로 빠져나가지 못하지만 서로 전기적으로 비활성화 된 쌍을 이루면서 정공이 생기는 효율을 감소시킨다는 사실도 밝혔다.

장기주 교수는 "이번 연구방법은 실리콘과 산화물 사이의 코어-쉘 나노선 모델을 구현하는 이론 연구의 기본 모형으로 받아질 것으로 기대된다"며 "10nm급 수준의 소자 연구에서 실리콘 채널을 산화물로 둘러싼 3차원 구조의 원자구조를 구현해 소자 특성을 밝히는데 큰 도움이 될 것"이라고 설명했다.

KAIST 장 교수가 주도하고 김성현 박사과정 학생(제1저자)과 박지상 박사과정 학생(제 2저자)이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자사업 및 신기술융합형성장동력사업 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 나노과학분야의 세계적 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 최근호 온라인판에 게재됐다.

김형석 기자 blade31@hellodd.com

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