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21세기초 기가비트를 절정으로 한계에 부딪칠 것으로 예상되는 실리콘반도체 기술을 극복하기 위해 양자소자 광소자 바이오소자 3차원집적 MMIC 등의 미래 반도체들이 연구되고 있다.

기억소자의 발전은 1970년대 이후 반도체 기술을 선도해 과학기술용으로 한정되리라 예측됐던 컴퓨터를 대중화시켰다. 70년대초 1KD램이 상품화된 이후 1992년에 이르러 1개 기억소자의 기억능력이 64MD램에 이르렀으니, 기억소자를 인간두뇌로 간주한다면 22년간 지능이 6만4천배 진화된 셈이다. 실로 엄청난 발전이다.

연산능력에 있어서도 인간의 능력을 추월하는 계산능력을 갖는 컴퓨터가 바로 마이크로프로세서에 의해 현실화됐으며, 추론능력을 갖는 퍼지회로가 구현돼 인간두뇌의 고유한 기능에 도전하고 있다. 반도체 기술은 인간 두뇌의 거의 모든 기능을 복제하고 있는 셈이다. 그러면 21세기에는 반도체 기술이 어떤 형태로 전개될 것인가.

"지금까지 구현된 복잡한 전자회로를 갖는 반도체의 기본 세포는 트랜지스터이며 이는 극히 단순한 기능만을 갖고 있다. 보다 지적인 기능을 갖는 트랜지스터는 가능할 것인가." 트랜지스터의 크기를 원자 단위로 축소하려는 양자소자 연구자들의 생각이다. "입자 운동속도의 한계값을 갖는 빛을 전자와 대체해 새로운 개념의 컴퓨터통신이 가능하지 않겠는가." 광전자를 연구하는 반도체 과학자들의 의지다.

"반도체는 전자회로만을 위한 수단인가." 디스플레이 또는 미세기계를 연구하는 반도체 과학자들이 갖는 의문이다.

"텔레파시는 과연 탁월한 영적기능을 갖춘 소수의 인간만이 소유하는 추상적인 기능일까. 지구 반대편에 있는 사람과 사막 한가운데에서 대화를 할 수 없을까." 초고주파 무선통신을 위한 반도체를 연구하는 과학자들이 이루고자 하는 미래의 꿈이다.

이러한 의지로 연구되고 있는 기술 중에서 21세기 초반에 구체화될 것으로 예측되는 미래의 반도체 기술을 알아보자.

양자소자-원자를 제어한다

반도체소자의 초고집적화가 가능했던 것은 이들이 요구하는 선폭가공기술인 미세형상 형성기술이 발전했기 때문이다. 현재 연구개발에 성공한 64MD램 선폭은 0.35μ 정도로, 앞으로 집적접도가 증가함에 따라 선폭은 계속 축소될 전망이다.

GD램급 이상의 집적도가 되면, 요구되는 선폭은 수백 옹스트롬(Å : ${10}^{-8}$㎝)정도로 전자들의 파장에 근접해 소자내에서는 양자효과가 발생된다. 따라서 선폭축소에 의한 소자의 고집적화는 양자효과로 인해 그 한계에 도달되리라 예상된다. 이러한 한계상황의 소자구조를 이용해 새로운 전기적 신호특성을 창출하고자 하는 것이 양자소자의 개념이다.

1960년대에 아더(Arthur)와 초(Cho)에 의해 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy)장치가 개발됐다. 이 장치를 이용하면 내부의 공기를 우주진공관 같은 상태에서 분자선을 발생시키기 때문에 원자를 층별로 쌓을 수 있으며, 따라서 전자들의 운동을 제한 할 수 있는 한계상황의 소자구조를 제작할 수 있다. 서로 다른 밴드 크기를 갖는 화합물반도체로 만든 초미세 소자구조내의 전자는 에너지 준위에 따라 스스로 질서정연한 상태로 배열된다. 여러층의 서로 다른 화합물반도체를 적층시켜 밴드 크기를 인공적으로 조절함으로써, 새로운 전기적 특성 및 광특성을 얻을 수 있는데 이러한 소자를 양자소자라 한다.

양자소자는 전자의 운동을 2차원적으로 제한한 양자우물(quantum well)구조, 1차원적으로 제한한 양자선(quantum wire)구조, 0차원적으로 제한한 양자점(guantum dot)구조로 분류된다.

양자우물에서는 전자가 불연속적인 상태의 에너지 준위에 2차원적으로 존재하기 때문에, 금속접합으로 전압을 인가하여 근접하는 다른 양자우물의 에너지 준위와 일치시킬 수 있으며, 이때 발생되는 전자의 공명투과 현상을 이용하면 공명투과 다이오드 및 공명투과 트랜지스터를 제작할 수 있다. 이러한 소자는 전자 이동도가 매우 빠르고, 인가되는 전입에 대해 톱날모양의 불연속 전류특성을 보이는데, 이를 이용하면 종래의 트랜지스터가 여러개 모여서 얻어지는 논리특성을 한 개의 소자로 구현할 수 있다.

이런 특성을 이용하면 복잡한 논리회로 등을 아주 간단한 회로로 구현할 수 있고 빠른 속도로 신호처리를 할 수 있으므로, 초고속 슈퍼컴퓨터에 사용할 수 있다. 한 예로 현재 구현된 GaAs/AlGaAs 이종접합 구조에 의한 공명투과 트랜지스터의 경우, 온(on) 및 오프(off) 동작속도가 매우 빨라 기존의 측정기기로는 측정이 불가능하기 때문에 현재 초고속성을 측정할 수 있는 측정기기의 개발도 연구중에 있다.

한편 양자선에서는 전자의 운동이 한 방향으로만 한정되기 때문에, 전자산란 효과가 줄어들게 되어 전자이동도가 상대적으로 증가된다. 양자선을 고전자이동 트랜지스터에 이용하면 전자가 2차원 운동을 하는 양자우물의 경우에 비해 6배 이상의 동작속도를 얻을 수 있다.

양자점의 물리적 성질을 이러한 개념에서 연속적으로 추론하면 양자점에서는 전혀 새로운 물리적 특성을 기대할 수 있다. 이와 같은 양자점이 현실화되면 현재의 반도체 레이저는 동작전류가 낮표 출력이 높으며, 다양한 파장의 레이저 발진이 가능한 다기능의 레이저 어레이를 초미세 크기로 제작할 수 있으며 2000년대는 기존 컴퓨터 개념을 초월한 새로운 개념의 초고속 병렬처리 광컴퓨터의 등장도 기대할 수 있다.

그러나 원자단위 규모의 양자점이 현실화하기 위해서는 원자단위를 제어할 수 있는 원자적층기술, 원자단위의 소자구조에서 전자의 운동을 해석할 수 있는 양자물리해석, 이러한 양자소자를 실제 시스템에 구현할 수 있는 초고속 시스템기술 등 많은 기초학문에 대한 연구가 필요하다.

3차원 집적기술-VLSI 블록 쌓기

반도체 기술은 급격히 발전되어 금세기 안에 2㎝의 변을 갖는 사각형 단일 칩안에 10억개의 트랜지스터와 축전기를 평면배열하여 1GD램을 제작할 수 있을 것으로 예상된다.

축소화를 향한 의지는 여기에 그치지 않고 장난감 블록 쌓듯이 전자소자들을 3차원으로 쌓고자 하는 연구가 진행되고 있다. 대형 컴퓨터의 기억 연산 기능을 한 개의 작은 칩에 구성하고자 하는 연구, 이른바 3차원 소자 연구다.

반도체 소자를 구성하는 재료는 대체로 반도체, 전극과 배선을 위한 금속층, 그리고 절연을 위한 절연체로 이루어진다. 여기서 반도체는 전자의 흐름을 빠르게 유지하기 위하여 단결정이 요구되고 있다. 따라서 반도체 소자들이 3차원적으로 적층되기 위해서는 단결정 반도체 박막을 절연체 혹은 금속 위에 성장시키는 단결정 박막 성장기술(epitaxy)이 필요하게 된다.

현재의 재료기술로는 단결정 박막을 성장시키기 위해서는 성장의 씨(seed)가 되는 기판이 반드시 단결정이어야 하며, 성장결정과 기판결정의 구조와 격자 크기가 상호 비슷해야 하는 제한이 있다. 그러나 현재 집적회로에 쓰이고 있는 금속막과 절연체는 모두 미세한 결정체가 다수 모여 이루어진 다결정체이거나, 전혀 결정성이 없는 비정질이다. 따라서 3차원 소자를 제작하기 위해서는 집적회로에 쓰이는 재료들과 동급의 특성을 갖는 반도체 금속 절연체 박막을 모두 단결정으로 제작할 수 있는 재료기술이 선결돼야 한다.

한편 이와는 다른 3차원 집적화를 위한 새로운 연구가 시작되고 있다. 단결정 기판에 전자회로를 평면 배열한 후 이를 수μ 정도의 얇은 단결정의 막(膜)으로 만들어 적층하는 것이다. 즉 2μ 두께의 박막을 1㎜까지 적충하면 5백배에 가까운 집적도를 구현할 수 있다. 즉 1GD램 기억소자를 수직 집적하여 5백GD램의 초고집적 기억회로를 제작할 수 있으며, 이로부터 가로 세로 높이 각기 2X2X1㎝ 크기를 갖는 칩에 1백년치의 신문기사를 저장할 수 있다.

이러한 웨이퍼 엔지니어링 기술을 이용하여, 재질이 전혀 다른 기판들도 3차원적으로 집적함으로써 전자나 광 등의 이질적 기능을 갖는 집적회로들도 단일 칩으로 구현할 수 있다.
 

바이오소자-인간의 두뇌에 도전

바이오 일렉트로닉스는 살아있는 생물의 정보변환, 전달방법을 전자공학에서 반도체 소자를 이용한 정보변환 전달기능에 응용하고자 하는 것이다.

우리 인체에는 5감에 의하여 물질을 감지하고, 신경계를 통하여 뇌에 전달하고, 뇌에서는 연산 및 비연산기능으로 이를 식별하고 이에 대응하게 된다. 그러면 뇌세포에 해당하는 소자는 만들 수 없는가.

미국인 맥글레어가 이 기능을 수행하는 바이오소자를 몰톤(moleton)이라 명명했다. 몰톤은 기존 전자공학의 반도체소자보다도 1억 내지 10억분의 1크기에 해당하므로 현재 사용되고 있는 초고집적반도체보다 고밀도화가 가능하며 방열(放熱)문제도 해결된다.

컴퓨터를 이루는 기본 반도체 소자인 기억소자는 0과 1을 구별하여 정보의 전달과 교환을 하고 있다. 바이오컴퓨터에서 기억 소자에 해당하는 것이 분자기억소자다. 어떤 고분자가 수소와 결합할 때 특정한 빛을 조사하면 이들의 위치가 다르게 결합하므로 이 위치를 0과 1로 구분할 수 있게 되고 이는 반도체 기억소자로 역할할 수 있게 된다. 따라서 바이오컴퓨터의 실현이 가능해진다.

이를 실현하기 위하여는 이들 메모리를 연결하는 회로망의 구성, 분자박막의 제작 및 이들의 가공 기술이 요구된다. 분자박막 제조기술은 친수성과 수소성을 갖는 분자에서는 랭그뮤어 브로젯의 방법이 개발되었고 금속착제형성법은 산화물반도체표면에 분자박 막을 형성시키는데 유효한 방법으로 개발됐다. 가공기술은 형성된 분자층에 금속배선을 하는 방법이 개발되어 분자층에 은을 입히는 시도가 이루어지고 있다.

현재 이 연구에서 파생된 부산물인 각종 바이오센서의 개발은 괄목할 만하다. 효소센서 미생물센서 면역센서 및 동물세포센서 등이 개발되고 있는데 당뇨병환자의 혈당치를 측정하는 글루코스센서, 인공신장의 요석물을 제어하는 요소센서 등은 이미 실용단계에 있다.

뇌세포와 바이오컴퓨터, 이를 실현하기 위한 바이오칩의 제작은 아직도 요원하다. 반도체소서 정보를 전달하는 전자와 같은 역할을 하는 생체재료가 수없이 많을 뿐 아니라 이들의 합성, 분해과정이 잘 알려져 있지 않아서 이들을 효율적으로 제어할 수 있는 방법이 과제로 남아 있다.
바이오 소자는 현재 기초연구 수준이지만 이들이 실현된다면 연산, 기억기능만이 가능 한 기존 컴퓨터에 비해 추론 판단 자기회복 기능 및 각종감각기능이 활성화되어 인간의 두뇌에 가까운 컴퓨터를 만들어 낼 수 있다.

광소자 -빛의 세계를 정복한다

빛에 의한 에너지 방출 또는 빛의 흡수 특성을 이용한 광반도체 소자로 고성능의 정보통신 기기 및 일반 가정용 전자제품을 다양하게 할 수 있을까. 1980년대 중반 CD플레이어 레이저프린터 등 정보처리기기와 함께 개발 보급된 광반도체 소자는 최근 광섬유에 의한 장거리 광전송시스템의 핵심소자로 사용되기에 이르렀다.

화합물 반도체를 이용하면 고효율의 발광 특성을 얻을 수 있다. 현재 많이 사용되고 있는 실리콘은 간접천이구조를 갖기 때문에 발광특성이 매우 나쁜 반면, 갈륨비소(GaAs) 인듐인(InP) 아연셀렌(ZnSe)과 같은 화합물반도체는 직접천이구조를 갖기 때문에 발광특성이 매우 우수하다. 사용하는 물질들에 따라 발생되는 빛의 파장이 결정되므로 기판재료로 사용하는 화합물반도체의 종류에 따라 사람의 눈에 보이는 가시광 영역 (청색 : 약 4백80nm, 녹색 : 5백50nm, 적색 : 약 6백50nm)에서 적외선 영역(파장 : 7백nm이상)의 반도체레이저를 얻을 수 있다.

가시광에 가까운 단파장(6백30~8백50nm)의 반도체레이저는 CD플레이어 레이저프린터와 같은 정보기기 분야에 널리 활용되고 있으며, 장파장 반도체 레이저(1천3백~1천6백nm)는 광섬유의 광흡수가 최소가 되는 파장대의 빛을 발생하므로 광통신분야에 사용되고 있다.

최근 연구중인 2.5Gbps 광통신시스템이 실용화되면, 음성신호로는 약 3만2천회선의 동시통화도 기능하게 된다.

빛의 3원색을 반도체레이저로 실현할 수 있을까. 현재 적색의 레이저는 갈륨비소로 발진이 가능하지만 녹색과 청색을 발광할 수 있는, 아연셀렌반도체는 재료상의 결함 및 불순물도핑 불량 등 제조공정의 미확보로 개발이 지연되고 있다. 광집적도는 파장의 역수에 비례하므로(광집적도 1/λ), 파장이 짧은 녹색과 청색의 레이저가 개발되면 광집적도를 3, 4배로 증가시킬 수 있으므로, 현재의 레코드판 크기의 레이저 디스크가 CD 보다도 더 작아질 수 있다.

또한 빛의 3원색인 청 녹 적색의 반도체 레이저 개발로 선명하고 깨끗한 화면의 레이저 TV가 가정에 보급될 것이다. 한편 반도체레이저 외에 광논리소자와 광집적회로의 연구개발로 21세기에는 광컴퓨터 광교환기 등도 개발될 전망이다.
 

MMIC -텔레파시를 현실화

언제 어디서나 원하는 상대자와 대화를 나눌 수 있다면…. 사회구조가 고도화 광역화 다양화됨에 따라 전화 팩시밀리 같은 통신 방식이 유선통신에서 무선통신으로 바뀌고 있으며, 컴퓨터의 멀티미디어화 및 개인화가 이루어지고 있다. 이를 위해 통신 단말기는 소형화 경량화 및 저소비전력화를 지향하고 있다.

일반적으로 무선통신 부품은 세라믹기판 위에 저항 인덕터 커패시터 등의 고주파 소자 및 반도체 개별소자를 하이브리드 형식으로 집적시켜 제작되어 왔으나 휴대용 통신단말기를 위해 소형 경량화, 저전력 소모의 고주파 부품이 요구되고 있다.

모노리식 마이크로 웨이브 집적회로(MMIC;Monolithic Microwave Integrated Circuit)기술을 이용하면 하이브리드 방식에 비해 작고 가벼우면서 성능 면에서 고신뢰성 재현성 저잡음 특성을 가질 뿐만 아니라 저가격인 무선통신부품을 만들 수 있다. 이러한 MMIC기술은 과학자들에 의해 현재 개발중인데, 이 기술을 사용하면 반도체 개별소자 공정시 손톱만한 크기의 단결정 기판 위에 고주파 소자 및 반도체 개별소자를 동시에 집적시킬 수 있다.

MMIC를 구현할 수 있는 반도체 재료는 크게 실리콘과 화합물 반도체로 대별할 수 있으나, 전력소모가 작고 주파수 특성이 실리콘에 비해 우수한 갈듐비소 인듐인 같은 화합물 반도체가 MMIC제작에 주로 사용 된다. MMIC에 의한 무선통신 부품은 아직 상업용으로 개발되지 않았으나, 개발되기만 하면 위성방송수신용 TV안테나, 휴대용 전화기 부품, HDTV, 위성 간 통신용 무선통신기기에 응용될 예정이다.

주파수별 MMIC의 응용을 살펴보면 1㎓ 이하의 아날로그 이동통신, 1.5㎓ 대의 디지털 이동통신, 12㎓대의 직접위성방송(DBS), 10㎓대의 WIN(빌딩내 무선통신망) 및 PC간 고속통신을 들 수 있다.

모노리식으로 고주파 회로가 집적화되면 현재 담배갑의 1.5배 크기에 해당하는 휴대 전화기는 디스플레이 마이크로프로세서, 기억능력 및 통신기능 등의 다기능이 내장된 손목시계 또는 만년필 크기로 축소되어 휴대하기에 매우 간편한 단말기로 발전될 것 이다. 통신방식도 지상의 기지국을 이용하는 대신 인공위성을 기지국으로 이용하는 방식으로 발전, 지구 전역을 단일 통화권으로 만듦으로써 지구상의 어느 위치에서도 직접통신이 가능해질 것이다.

모토롤라사는 2000년까지 77개의 이동통신용 인공위성을 지구상에 띄어 세계 어느 곳에서 있든지 통화가 가능하도록 하여 세계를 단일 통화권으로 하려는 이리듐프로젝트를 계획하고 있다. 즉 MMIC의 구현으로 시간과 장소를 초월한 전화통화, 화상팩시밀리 및 컴퓨터 통신을 실현할 수 있게 된다.

반도체 기술은 반도체 과학이라 정의되는 테두리에서 폐쇄적으로 연구되어지는 독자적인 학문은 결코 아니다. 반도체 기술의 발전으로 얻어진 정보혁명, 그 정보혁명에서 끝없이 이어지는 사회구조의 변화, 그리고 이에 따른 의식구조 및 문화의 변혁이 새로운 개념을 갖는 문명이기의 등장을 재요구하는 셈이다. 이와 함께 기초과학과 주변 과학기술인 극진공기술 극미세기술 극저온기술 초박막기술 등 극한기술의 발전이 수반되어 반도체 기술의 발전을 가속화할 것이다.

기억소자는 금세기 내에 1GD램에 달하는 거대한 집적화를 이루고, 고집적 트랜지스터의 한계라고 예측되는 1GD램 이후에는 새로운 차원의 집적화 기술개발을 위한 노력이 경쟁적으로 나타날 것이다. 원자 규모까지 미세화된 반도체 소자에서 나타나는 양자현상(quantum effect)을 이용한 양자소자들을 전자회로화하려는 시도들이 활발히 이루어져, 2000년대에는 양자 전자부품들이 대중화되고, 그리고 생물체에서 새로이 발견되는 전기-생화학적 물성을 활용하는 새로운 반도체가 전자소자화 될 것으로 예측된다.

이와 함께 입자 운동속도의 한계 값을 갖는 빛이 컴퓨터 통신교환기 등의 분야에서 전자를 대체하는 변화가 예측된다. 트랜지스터와 함께 초고주파에서 요구되는 기능 회로가 집적화 되어 전파 자원의 한계점까지 전파자원을 활용하는 초고주파 전자회로들이 통신의 공간제약성을 해결하여 줄 것이다. 이와 함께 반도체는 전자 회로만을 위한 기능에서 탈피하여, 독립적인 기능을 갖는 디스플레이와 생체 세포 규모의 미세기계를 제작하는 기술로 확장되리라 예측된다.