연혁

  1948년 트랜지스터가 개발되어 이를 집적화하는 기술이 1958년에 제안되고부터 가능한 많은 반도체 소자를 하나의 칩에 집적하고자 하는 노력이 진행되어왔다. 이 결과 1970년 소자의 크기가 10㎛ 수준이던 것이 현재 0.18㎛까지 줄어들게 되었고 이 추세대로라면 소위 무어의 법칙에 의해 2010년경에는 20-30㎚에 다다를 것으로 예상된다. 이 단계에 이르면 에너지 양자화, 다발양자화, 스핀 양자화 등 소위 양자현상이 소자의 특성에 큰 영향을 주게 되고 서로 인접한 반도체 양자구조들은 그 내부의 전자상태가 상호간섭을 일으킬 것으로 예상되어 누설전류, 소자의 온오프 동작 오류, 핫캐리어(hot carrier) 효과 등이 일어나게 되어 기존의 반도체 소자 기술이 한계점에 다다르게 된다. 따라서 양자기능 반도체연구센터는 이러한 양자 효과의 고유성질들을 적극적으로 활용하여 신개념의 양자기능 반도체 소자 연구를 하기 위해 1999년도 과학기술부·한국과학재단으로부터 우수과학연구센터(SRC)로 지정되어, 동국대학교에 설치되었다(초대소장: 강태원). 이 센터는 2002년 현재까지 3개의 국제 학술대회를 개최하였으며 특히 2001년 5월에는 동국대학교내에서 센터 주관으로 5명의 노벨상 수상자와 노벨 물리학상 심사위원장 클래슨(T. Claeson) 및 외국인 연사 35명 등을 초청하여 QTSM & QFS 2001을 개최하였다. 지난 3년간 12명의 박사 및 56명의 석사를 배출하여 그중 약 94%가 취업하여 2002년 현재 반도체 과학분야에서 국제적 수준의 연구를 수행하고 있다.

센터의 목표

“0”과 “1”을 기본단위로 사용하는 2002년 현존 반도체소자(기억 및 논리소자)는 지속되는 고집적화의 결과로 소자의 크기가 계속 줄어들어 멀지 않은 장래에 양자화 현상이 소자의 동작 특성을 좌우하게 되어 기술적으로 뿐만 아니라 물리적으로도 한계에 부딪치게 될 것이다. 따라서 새로운 개념의 반도체 소자의 창출을 위해 기초과학과 첨단기술을 연계하여 반도체양자구조 및 양자기능 신물질에 대한 물리현상을 연구한다. 이로부터 가까운 장래에 부딪치게 될 기존 반도체소자의 기술적 한계를 극복하고 이를 이용하여 미래 지식정보화 사회의 패러다임을 바꿀 신개념의 반도체양자소자를 구현하고자 한다. 또한 양자기능반도체 연구의 국제 경쟁력을 갖춘 우수 인력을 교육 양성하고 나아가서 국제적으로 학문의 수월성이 높은 연구 집단으로서 미래의 첨단과학기술 사회에 이바지하고자 한다.

연구 분야

(1) 반도체 양자구조 연구
  스핀비트(Spin - bit) 양자구조와 차지비트(Charge - bit) 양자구조의 형성기구를 밝히고 이들 구조의 인공제어를 위한 양자효과 모델을 제시하며 나아가 양자점 및 양자선들로 구성된 복합적 양자구조 시스템제작과 전자들과 주변환경과의 중시적 상호작용 규명을 통해 새로운 복합적 양자기능 최적구조를 창출한다.

(2) 양자기능 신물질 연구
  자성체 및 유전체 등과 같은 반도체가 아닌 재료중 스핀비트 기능을 갖는 물질과 차지비트 기능을 갖는 물질을 합성·성장하여 양자구조를 구현하고, 신개념 멀티비트를 위한 양자구조를 실현하여 자성 및 유전체를 이용한 양자기능 신개념 물질을 창출한다.

(3) 양자기능 소자 물리 연구
  스핀비트 소자 및 차지비트 소자를 구현하기 위한 공정기술과 소자 물리학을 연구하고 이와 아울러 자성반도체, 유전체, 반도체 소자들의 접합 특성과 물성 연구를 수행한다. 이로부터 멀티비트 소자 제작기술을 완성하고 양자기능 소자 물리학의 실용성을 추구한다.

연구 성과

(1) MBE법에 의한 GaAs 나노막대 성장조건 확립
  이 센터의 연구원인 동국대 강태원팀은 III - V화합물의 양자세선을 간단한 방법에 의해 제작하는 방법을 확립하였다. 이들은 아무 전처리 없이 MBE 방법을 이용하여 전기적 특성이 우수한 GaAs 물질의 양자세선을 기판 위에 자발적으로 성장되는 조건은 물론 양자세선의 방향까지 조절할 수 있는 방법을 최초로 확립하여 APL 78, 3319(2001)에 발표하였다. 또한 나노막대(nanorod) 결정 형성시 원자배열의 상관관계를 연구하여 그에 따른 성장 메카니즘을 제시하였다. Si 자발 도프된(doped) GaAs 양자세선의 형성 메카니즘은 2002년 현재까지 다른 연구자들과는 전혀 다른 새로운 방법이며, 전기적으로는 고속소자로 이용하기에 기반이 되는 연구 결과이다. 특히 GaAs계의 양자세선은 일차원 전자 소자의 핵심재료가 됨으로 양자세선을 통해 속도가 매우 빠른 소자의 제작 가능성을 기대할 수 있다.

(2) 단원자 Na 와이어의 전기전도도 양자화 메카니즘 최초로 규명
  STM tip을 금속 표면에 가까이 가져가는 대신, tip을 금속표면에 접촉시킨 후 표면으로부터 천천히 떼어 내어 형성된 단원자 도선에서 일어나는 양자화 된 전기전도도를 이해하기 위해 국소전하 중성가설 모델, 우무(Jellium) 전극모델 등 다양한 이론적 계산을 시도하였으나 그 근원을 규명하지 못하였다. 센터의 연구원인 KAIST의 장기주팀은 뾰족한 와이어팁 구조와 단원자로 구성된 불연속적인 도선의 구조까지 고려하여 단원자 도선의 원자개수(짝, 홀수)에 따른 전자상태 밀도계산에 의해 이러한 전기전도도 양자화는 도선상의 전자들 상호작용에 의해 전자밀도를 균일하게 만들려는 성질과 관계됨을 최초로 규명하여 PRL 87, 096803 - 1(2001)에 발표하였다. 이는 단원자 도선에 의한 전기전도도 양자화 메카니즘의 이해를 통해 신개념 양자소자 개발의 초석이 될 것으로 기대된다.

(3) 자성터널링 접합소자 최적구조확립
  자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction: MTJ) 소자구조에서 핀홀(pinhole) 현상 없는 극초 산화절연 박막성장이 매우 어려운데 센터의 연구원인 한양대 홍진표팀이 자체 개발한 2단계 rf 플라스마 산화법을 개발하여 다단계 산화기술이 MTJ 소자성능을 향상시킬 수 있음을 밝혀 APL 79, 1160(2001)에 발표하였다. 이는 최적의 자기터널링 접합소자 제작의 가능성을 보여 향후 스핀편광 수송을 이용한 차세대 메모리 재료 및 최적화된 공정기술이 기대된다.














양자기능 반도체연구센터는 신개념의 양자기능반도체소자 연구를 위해 1999년 과학기술부와 과학재단지정으로 동국대학교에 설치되었다.